JP7116996B2 - Direction estimation device and direction estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、方向推定装置および方向推定方法に関し、特に直接波と反射波が存在する多重波伝搬環境において直接波の到来波方向を推定する方向推定装置および方向推定方法に関する。 The present invention relates to a direction estimation device and a direction estimation method, and more particularly to a direction estimation device and a direction estimation method for estimating the direction of arrival of a direct wave in a multi-wave propagation environment in which a direct wave and a reflected wave exist.
近年、あらゆるものがインターネットにつながるIoT(Internet of Things)社会への進展が期待されている。中でも、自動車分野の通信環境では、ネットワークに常時つながる自動車である「コネクテッドカー」がITS(Intelligent Transport Systems:高度道路交通システム)分野を変革させるものとして期待されている。 In recent years, progress toward an IoT (Internet of Things) society in which everything is connected to the Internet is expected. In particular, in the communication environment of the automobile field, "connected cars", which are automobiles that are always connected to networks, are expected to revolutionize the ITS (Intelligent Transport Systems) field.
コネクテッドカーは、ICT(Information and Communication Technology)端末としての機能を有する自動車である。コネクテッドカーは、車両の状態や周囲の道路状況などの様々なデータをセンサー等により取得し、ネットワークを介して集積および分析することで、新たな価値を生み出すことが期待された自動車である。そのため、コネクテッドカーは、携帯電話基地局との通信による集中管理型ネットワークのみならず、車車間通信や路車間通信による自律分散型ネットワークを併用する。コネクテッドカーは、データを集積して分析するためには携帯電話基地局や他自動車間との通信が欠かせない。 A connected car is a car that functions as an ICT (Information and Communication Technology) terminal. Connected cars are expected to create new value by acquiring various data such as vehicle conditions and surrounding road conditions from sensors, etc., and collecting and analyzing them via networks. Therefore, connected cars use not only a centralized network that communicates with mobile phone base stations, but also an autonomous decentralized network that uses vehicle-to-vehicle communication and road-to-vehicle communication. Connected cars require communication with mobile phone base stations and other vehicles in order to collect and analyze data.
例えば、特許文献1では、水平面内における受信電波の到来方向を検出できる受信用アンテナ装置について開示されている。これによれば、円上に等間隔に配列されたアンテナ素子と中心に配されたアンテナ素子からなる円形配列フェーズドアレーアンテナを用いることで、小型軽量に構成でき、受信電波の到来方向を高精度で検出できるアンテナ装置を実現できる。
For example,
ところで、都市部においてはビルが立ち並ぶので、都市部の伝搬環境は、ビルに囲まれた道路に沿って電波が伝搬するストリートマイクロセル環境となる。そして、このような伝搬環境では、携帯電話基地局からの電波は限られた方向のみからコネクテッドカーに到来することになる。さらに、前方を走行中の車、対向車および信号機からの電波は、反射波に加えてこれらの送信アンテナから強い電波が直接コネクテッドカーに届くので、ライス伝搬環境となる。 By the way, since buildings stand side by side in urban areas, the propagation environment in urban areas is a street microcell environment in which radio waves propagate along roads surrounded by buildings. In such a propagation environment, radio waves from mobile phone base stations arrive at the connected car only from limited directions. In addition to reflected waves, strong radio waves from these transmitting antennas directly reach the connected car from vehicles traveling ahead, oncoming vehicles, and traffic lights, creating a Rice propagation environment.
換言すると、都市部の伝搬環境は、直接波と反射波とが存在する多重波伝搬環境(マルチパス伝搬環境)となっている。そのため、コネクテッドカーを実現するためには、多重波伝搬環境において、コネクテッドカーの走行によって時々刻々と変化する到来波方向を推定することが必要である。これにより、推定した到来波方向に指向性ビームを向けることができ、高いSNR(Signal Noise Ratio)の受信電波を得ることができるからである。 In other words, the propagation environment in urban areas is a multiple wave propagation environment (multipath propagation environment) in which direct waves and reflected waves exist. Therefore, in order to realize a connected car, it is necessary to estimate the incoming wave direction, which changes every moment as the connected car travels, in a multi-wave propagation environment. This is because it is possible to direct the directional beam to the estimated direction of the incoming wave and obtain a received radio wave with a high SNR (Signal Noise Ratio).
しかしながら、上記特許文献1に記載のアンテナ装置は、反射波がほとんどない伝搬環境下において受信電波の到来方向を検出できるに過ぎない。つまり、上記特許文献1に記載のアンテナ装置をそのままコネクテッドカーに搭載しても、都市部等の伝搬環境では、受信電波の到来方向を検出できないという問題がある。したがって、特許文献1に記載のアンテナ装置をコネクテッドカーで利用しても、携帯電話基地局や他自動車間との通信を安定的に行えない。
However, the antenna device described in
そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、多重波伝搬環境において受信電波の到来方向を高精度に検出できる方向推定装置および方向推定方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a direction estimating apparatus and a direction estimating method capable of detecting the direction of arrival of received radio waves with high precision in a multi-wave propagation environment.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る方向推定装置は、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、前記円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナと、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた重みをかけて合計した第1信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出することにより、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の方向である到来波方向を推定する演算部とを備え、前記位相差は、前記到来波方向に略比例する。 To achieve the above object, a direction estimating apparatus according to an aspect of the present invention includes N (N is a natural number of 3 or more) first antenna elements arranged at regular intervals on a circle, and an abbreviation of the circle. A circular array phased array antenna composed of one second antenna element arranged in the center, and a first antenna element obtained by adding weights corresponding to the arrangement of the first antenna elements and summing received signals of the first antenna elements. signal and a second signal, which is a signal received by the second antenna element, are statistically analyzed, and a phase difference between the first signal and the second signal is calculated to determine the number of incoming signals arriving at the circular phased array antenna. and a calculation unit for estimating an incoming wave direction, which is the direction of a wave, and the phase difference is substantially proportional to the incoming wave direction.
この構成により、多重波伝搬環境において受信電波の到来方向を高精度に検出できる方向推定装置を実現できる。 With this configuration, it is possible to realize a direction estimating apparatus capable of detecting the direction of arrival of received radio waves with high accuracy in a multi-wave propagation environment.
ここで、前記演算部は、前記第1信号の位相角と前記第2信号の位相角との差を算出することで、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出するとしてもよい。 Here, the calculation unit may calculate the phase difference between the first signal and the second signal by calculating the difference between the phase angle of the first signal and the phase angle of the second signal. .
また、前記第1信号は、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号とからなり、前記第1信号の位相は、前記第3信号の位相および前記第4信号の位相の平均であってもよい。 Further, the first signal includes a third signal obtained by multiplying the signals received by each of the first antenna elements by a phase weighting function according to the arrangement of the first antenna elements, and summing the signals received by each of the first antenna elements. and a fourth signal obtained by multiplying and summing the signals by the weighting function of the phase corresponding to the arrangement of the first antenna elements and the opposite phase, and the phase of the first signal is the phase of the third signal and the phase of the fourth signal. may be the average of the phases of
また、前記第1アンテナ素子に接続される負荷インピーダンスは、前記第1アンテナ素子それぞれの位相特性を一定にする所定の値に設定されていてもよい。 Moreover, the load impedance connected to the first antenna element may be set to a predetermined value that makes phase characteristics of each of the first antenna elements constant.
また、前記第3信号の位相および前記第4信号の位相の平均は、前記第3信号の位相角と、前記第4信号の位相角を到来波角度に比例する正の勾配の直線を基準とした位相角に変換した変換位相角とから算出され、前記Nが偶数のときは、前記変換位相角は、前記第4信号の位相角と負の勾配の直線との差を前記正の勾配の直線に加算することにより算出され、前記Nが奇数のときは、前記変換位相角は、前記第4信号の位相角と負の勾配の直線との差を前記正の勾配の直線から減算することにより算出されるとしてもよい。 Further, the average of the phase of the third signal and the phase of the fourth signal is based on a positive gradient straight line proportional to the phase angle of the third signal and the phase angle of the fourth signal. When N is an even number, the converted phase angle is the difference between the phase angle of the fourth signal and the negative slope straight line, is calculated by adding to a straight line, and when said N is odd, said conversion phase angle is obtained by subtracting from said positive slope straight line the difference between the phase angle of said fourth signal and said negative slope straight line. It may be calculated by
さらに、前記演算部は、所定時間の前記第1信号における同相成分および直交成分の平均値である第1同相平均値および第1直交平均値を算出し、かつ、前記所定時間の前記第2信号における同相成分および直交成分の平均値である第2同相平均値および第2直交平均値を算出することで、前記第1信号と前記第2信号とを統計解析し、前記第1信号の位相角を前記第1同相平均値および第1直交平均値から算出し、前記第2信号の位相角を前記第2同相平均値および第2直交平均値から算出するとしてもよい。 Further, the calculation unit calculates a first in-phase average value and a first quadrature average value, which are average values of an in-phase component and a quadrature component in the first signal for a predetermined time, and calculates the second signal for the predetermined time. Statistical analysis of the first signal and the second signal is performed by calculating a second in-phase average value and a second quadrature average value, which are the average values of the in-phase component and the quadrature component in the phase angle of the first signal may be calculated from the first in-phase average value and the first quadrature average value, and the phase angle of the second signal may be calculated from the second in-phase average value and the second quadrature average value.
これにより、所定時間取得した受信信号における同相成分および直交成分の平均値を用いることで、円形配列フェーズドアレーアンテナを用いて、多重波伝搬環境における受信電波の到来方向を高精度に検出できる。 As a result, by using the average values of the in-phase and quadrature components in the received signal acquired for a predetermined period of time, the direction of arrival of received radio waves in a multi-wave propagation environment can be detected with high accuracy using a circular array phased array antenna.
ここで、例えば、前記方向推定装置は、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を加算して前記第1信号を算出する加算部を備え、前記演算部は、前記加算部から、前記第1信号を前記所定時間取得し、前記第2信号を前記所定時間取得する。 Here, for example, the direction estimating device includes an adder that calculates the first signal by adding the received signals of the first antenna elements, and the calculator receives the first signal from the adder. is acquired for the predetermined time, and the second signal is acquired for the predetermined time.
また、例えば、前記第1アンテナ素子それぞれと前記第2アンテナ素子とは、前記円の領域を含む平面に配置されたアンテナ素子からなる。 Further, for example, each of the first antenna elements and the second antenna element are antenna elements arranged on a plane including the circular area.
また、例えば、前記第1アンテナ素子それぞれと前記第2アンテナ素子とは、ダイポールアンテナと電気的に等価な働きをする等価ダイポール素子であるとしてもよい。 Also, for example, each of the first antenna elements and the second antenna element may be an equivalent dipole element that functions electrically equivalent to a dipole antenna.
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る方向推定方法は、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、前記円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の方向である到来波方向を推定する方向推定方法であって、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた重みをかけて合計した第1信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出することにより、前記到来波方向を推定する演算ステップを含み、前記位相差は、前記到来波方向に略比例する。 In order to achieve the above object, a direction estimation method according to an aspect of the present invention includes N (N is a natural number of 3 or more) first antenna elements arranged at regular intervals on a circle; A direction estimating method for estimating a direction of an incoming wave that is a direction of an incoming wave arriving at a circular array phased array antenna consisting of a second antenna element arranged substantially at the center of each of the first antenna elements Statistical analysis is performed on a first signal obtained by applying a weight according to the arrangement of the first antenna elements and summing the received signals of and a second signal that is a received signal of the second antenna element, and performing a statistical analysis of the first signal and the A computing step of estimating the direction of arrival of the wave by calculating a phase difference of the second signal, wherein the phase difference is substantially proportional to the direction of arrival of the wave.
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータで読み取り可能なCD-ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 It should be noted that these general or specific aspects may be realized in a system, method, integrated circuit, computer program, or a recording medium such as a computer-readable CD-ROM. Any combination of programs and recording media may be used.
本発明の方向推定装置等によれば、多重波伝搬環境において受信電波の到来方向を高精度に検出ができる。 According to the direction estimating apparatus and the like of the present invention, the direction of arrival of received radio waves can be detected with high accuracy in a multi-wave propagation environment.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 It should be noted that each of the embodiments described below is a specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are examples and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in independent claims representing the highest concept will be described as arbitrary constituent elements.
(実施の形態1)
[方向推定装置の構成]
図1は、本実施の形態における方向推定装置10の構成の一例を示す図である。
(Embodiment 1)
[Configuration of direction estimation device]
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a
図1に示すように、本実施の形態における方向推定装置10は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1と、加算部2と、演算部3とを備える。本実施の形態における方向推定装置10は、例えばコネクテッドカーに搭載される。図1では、9個のアンテナ素子を有する円形配列フェーズドアレーアンテナ1の例が示されている。
As shown in FIG. 1, a
[円形配列フェーズドアレーアンテナ1]
円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、当該円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる。第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とは、当該円の領域を含む平面が無指向性のアンテナ素子であり、例えば、当該円の領域を含む平面と垂直に配置された所定長さのダイポールアンテナからなる。なお、ダイポールアンテナは必ずしも実際のダイポールアンテナである必要はなく、電気的に等価な動作をする等価ダイポール素子であってもよい。これにより、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、当該円の領域を含む平面(水平面内)の指向特性が実質的に全方向となる。
[Circular array phased array antenna 1]
The circular array phased
以下、N=8の場合を例に挙げて説明する。 A case where N=8 will be described below as an example.
図2は、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1の構成の一例を示す図である。図3は、図2に示す円形配列フェーズドアレーアンテナの具体的構成例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the circular phased
図2および図3に示すように、N=8の場合には、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、半径aの円周上に45度間隔で配列された8個のアンテナ素子(第1アンテナ素子:#1~#8)と、円の中心に配置された1個のアンテナ素子(第2アンテナ素子:#9)で構成される。ここで、半径aは、例えば4.9cmである。
As shown in FIGS. 2 and 3, when N=8, the circular array phased
そして、8個の第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの位相と、中心に配置された1個の第2アンテナ素子の受信信号の位相の差を求めることにより受信信号の到来波方向を推定できる。その推定方法について以下説明する。 Then, the direction of arrival of the received signal is obtained by obtaining the phase difference between the sum of the received signals of the eight first antenna elements and the phase of the received signal of the second antenna element arranged in the center. can be estimated. The estimation method will be described below.
図2および図3に示す円形配列フェーズドアレーアンテナ1の平面であるXY平面のX軸とφをなす方向から受信電波が到来するとする。この場合、受信電波によってi番目の第1アンテナ素子に誘起される信号すなわち電圧Viは、次の(式1)から算出できる。
It is assumed that received radio waves arrive from a direction forming φ with the X-axis of the XY plane, which is the plane of the circular phased
第1アンテナ素子(#1~#8)ごとに受信のタイミングが微妙にずれるので、それを反映するために、(式2)で定義される重み関数Wiを(式1)から算出した電圧Viにかけて重み付けする。 Since the reception timing is slightly different for each of the first antenna elements (#1 to #8), in order to reflect it, the weight function W i defined by (Equation 2) is calculated from (Equation 1). Weighted by Vi.
そして、円上の全第1アンテナ素子の信号を足し合わせれば、8個の第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号の電圧EΔを得ることができる。この第1信号の電圧EΔは、(式3)から算出できる。 Then, by summing the signals of all the first antenna elements on the circle, it is possible to obtain the voltage EΔ of the first signal, which is the sum of the reception signals of the eight first antenna elements. The voltage E Δ of this first signal can be calculated from (Equation 3).
ここで、(式3)に示される要素は8であるが、第1信号の電圧EΔの性質を理解するために第1アンテナ素子の数が無限個になった場合を考察すると、電圧EΔはベッセル関数を用いて以下の(式4)で表すことができる。 Here, the elements shown in (Equation 3) are 8, but considering the case where the number of first antenna elements is infinite in order to understand the nature of the voltage E Δ of the first signal, the voltage E Δ can be represented by the following (Equation 4) using a Bessel function.
また、X軸とφをなす方向から到来する受信電波によって第2アンテナ素子(#9)に誘起される信号(第2信号)の電圧をEΩとする。さらに、第2信号の電圧EΩの位相角を∠EΩ、第1信号の電圧EΔの位相角を∠EΔとすれば、位相差φmは以下の(式5)を用いて算出することができる。 Also, let EΩ be the voltage of the signal (second signal) induced in the second antenna element (#9) by the received radio wave arriving from the direction forming φ with the X axis. Further, if the phase angle of the voltage E Ω of the second signal is ∠E Ω and the phase angle of the voltage E Δ of the first signal is ∠E Δ , the phase difference φ m is calculated using the following (Equation 5): can do.
したがって、第1信号と第2信号との位相差φmは、受信電波の到来波角度φにほぼ比例した値となっているのがわかる。このようにして、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いることで、到来波方向を推定できる。
Therefore, it can be seen that the phase difference φm between the first signal and the second signal is approximately proportional to the incoming wave angle φ of the received radio wave. Thus, by using the circular array phased
[加算部2]
加算部2は、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を加算して第1信号を算出する。加算部2は、算出した第1信号を演算部3に出力する。
[Addition unit 2]
The
図4は、本実施の形態の加算部2の具体的構成の一例を示す図である。なお、図1および図4では、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を構成する第1アンテナ素子(#1~#8)にはそれぞれ移相器が接続されている。第1アンテナ素子(#1~#8)はそれぞれ、その配置により到来波の受信のタイミングが異なるので、それを反映した移相器が接続された図としている。図1に示す第1アンテナ素子(#1~#8)では、図2および図3で示すX軸方向を基準としたときの第1アンテナ素子(#1~#8)の配置に応じた重みに相当するπ/8、3π/8、5π/8、7π/8、9π/8、11π/8、13π/8、15π/8の移相器が接続されている。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a specific configuration of the
加算部2は、例えばウィルキンソン電力合成器とラットレースハイブリッドとを用いて、例えば図4に示すような構成で実現することができる。図4に示す第1アンテナ素子(#1~#8)では、加算部2には180°haybridが用いられることから、第1アンテナ素子(#1~#8)の配置に応じた重みに相当するπ/8、3π/8、5π/8、7π/8、π/8、3π/8、5π/8、7π/8の移相器が接続されている。
The
なお、加算部2は、後述する演算部3に含まれるとしてもよい。
Note that the
[演算部3]
演算部3は、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた重みをかけて合計した第1信号と、第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、第1信号および第2信号の位相差を算出する。位相差は、到来波方向に略比例する。このようにして、演算部3は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来する到来波の方向である到来波方向を推定する。
[Calculation unit 3]
The
演算部3は、第1信号の位相角と第2信号の位相角との差を算出することで、第1信号および第2信号の位相差を算出する。
The
より具体的には、演算部3は、所定時間の第1信号における同相成分および直交成分の平均値である第1同相平均値(UI)および第1直交平均値(UQ)を算出し、かつ、所定時間の第2信号における同相成分および直交成分の平均値である第2同相平均値(UI)および第2直交平均値(UQ)を算出することで、第1信号と第2信号とを統計解析する。そして、演算部3は、第1信号の位相角を第1同相平均値および第1直交平均値から算出し、第2信号の位相角を第2同相平均値および第2直交平均値から算出する。
More specifically, the
ここで、演算部3は、加算部2から、第1信号を所定時間取得し、第2信号を所定時間取得する。
Here, the
本実施の形態では、演算部3は、加算部2から8個の第1アンテナ素子の信号の合計である第1信号を取得し、第2アンテナ素子から、第2信号を取得する。
In this embodiment, the
以下、演算部3が取得した受信信号(第1信号および第2信号)を統計解析することで、多重波伝搬環境において受信電波の到来波方向を推定できる理由について説明する。
The reason why the direction of arrival of received radio waves in a multi-wave propagation environment can be estimated by statistically analyzing the received signals (the first signal and the second signal) obtained by the
<統計解析による到来波方向推定が可能な理由>
ところで、特許文献1に開示されるアンテナ装置は、リアルタイムに到来波方向を得ることができる。これは、当該アンテナ装置を主に航空機に搭載することを目的とし、上空においては反射物が存在しないことから、直接波のみが到来する伝搬環境を前提としているからである。しかし、特許文献1に開示されるアンテナ装置を地上において使用する際、地上ではビルや樹木などの地物が存在するので、反射した電波も当該アンテナに到来する。そして直接波のみならず反射波が存在する多重波伝搬環境ではフェージングによって受信信号が大きく変動する。つまり、特許文献1に開示されるアンテナ装置では、伝搬環境が直接波のみの通信環境であれば、一意に到来波方向を得ることができるが、多重波伝搬環境ではフェージングによって受信信号が大きく変動するので、一意に到来波方向を得ることができない。
<Reason why direction of arrival can be estimated by statistical analysis>
By the way, the antenna device disclosed in
それに対して、本実施の形態の方向推定装置10は、例えばコネクテッドカーに搭載される。そして、コネクテッドカーに搭載される場合、方向推定装置10がおかれる通信環境は、通信相手が見通せ、かつ通信相手との距離が近いことから、見通し内伝搬環境(LOS(Line Of Sight)環境)となる。
On the other hand, the
見通し内通信では、直接波の受信信号の減衰確率が低く、信号伝送特性の劣化がレイリー波と比較して小さくなる。このような反射波に比べ直接波の受信信号のレベルが大きい伝搬環境は、仲上-ライスフェージング(ライス伝搬環境)と呼ばれる。 In the line-of-sight communication, the probability of attenuation of the received signal of the direct wave is low, and deterioration of the signal transmission characteristics is smaller than that of the Rayleigh wave. Such a propagation environment in which the received signal level of the direct wave is higher than that of the reflected wave is called Nakagami-Rice fading (Rice propagation environment).
図5は、仲上-ライスフェージングの確率分布を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the probability distribution of Nakagami-Rice fading.
図5に示すように、ライス伝搬環境における受信波r(t)は、レイリー波r´にレベルの高い安定した直接波Cを加えたもので表現できる。なお、直接波Cは時間的に変化しない一定の波を表すことになるため定常波とも呼ばれる。 As shown in FIG. 5, the received wave r(t) in the Rice propagation environment can be expressed by adding a stable high-level direct wave C to the Rayleigh wave r'. The direct wave C is also called a standing wave because it represents a constant wave that does not change with time.
直接波Cとレイリー波r´とが合成された受信波r(t)は、直接波とN個の素波rn(t)の和として、(式6)のように与えることができる。 A received wave r(t) obtained by synthesizing the direct wave C and the Rayleigh wave r' can be given as shown in (Equation 6) as the sum of the direct wave and N elementary waves r n (t).
ここで、
そして、直接波Cの先端を基準にすれば、x[x(t)の値]とy[y(t)の値]との結合確率密度関数p(x,y)は、x(t)とy(t)との値が互いに独立で、ともに平均値0、分散σs 2の正規分布に従うと考えられる。したがって、結合確率密度関数p(x,y)は、(式7)のように表すことができる。 Then, with the tip of the direct wave C as a reference, the joint probability density function p(x, y) of x [value of x(t)] and y [value of y(t)] is x(t) and y(t) are independent of each other, and both are considered to follow a normal distribution with a mean of 0 and a variance of σ s of 2 . Therefore, the joint probability density function p(x, y) can be expressed as in (Equation 7).
ここで、図5より、x(t)=x´(t)-A、y(t)=y´(t)-Bであるから、x´[x´(t)の値]とy´[y´(t)の値]の結合確率密度関数p(x´,y´)は、(式8)のように表すことができる。 Here, from FIG. 5, since x(t)=x'(t)-A and y(t)=y'(t)-B, x'[value of x'(t)] and y' A joint probability density function p(x', y') of [value of y'(t)] can be expressed as in (Equation 8).
図6は、本実施の形態における多重波環境の受信信号のIQ値の一例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of IQ values of received signals in a multiwave environment according to the present embodiment.
図6に示すように、本実施の形態における方向推定装置10が受信する多重波環境下の受信信号の同相(In-Phase)成分と直交(Quadrature-Phase)成分との確率密度関数は、対称的なベル型の曲線であるガウス分布となる。つまり、方向推定装置10が受信する個々の受信信号(各スナップショット信号)は変動するが、その同相成分と直交成分とは固有の平均値を有する。換言すると、方向推定装置10が受信する個々の受信信号の同相成分と直交成分との平均値は一定値(μI、μQ)となる。
As shown in FIG. 6, the probability density functions of the in-phase (In-Phase) component and quadrature (Quadrature-Phase) component of the received signal under the multiwave environment received by
したがって、同相成分と直交成分とにおいて各成分の確率密度関数より平均値(μI、μQ)を演算すれば、以下の(式9)を用いて、第1信号の電圧EΔの位相角∠EΔと、第2信号の電圧EΩの位相角∠EΩとを個別に演算することができる。 Therefore, if the average value (μ I, μ Q ) is calculated from the probability density function of each component in the in-phase component and the quadrature component, the phase angle of the voltage E Δ of the first signal can be obtained using the following (Equation 9): ∠E Δ and the phase angle ∠E Ω of the voltage E Ω of the second signal can be calculated separately.
以上から、円上に等間隔に配列された第1アンテナ素子(#1~#8)すべての受信信号を足し合わせた第1信号の電圧EΔの位相角と、円の中心に配置された第2アンテナ素子(#9)に誘起される第2信号の電圧EΩの位相角とは、それぞれの受信信号である第1信号および第2信号を統計解析することにより上記の(式9)を用いて演算できる。したがって、(式5)に、(式9)を用いて演算したそれぞれの位相角を代入すれば到来波方向である角度φを算出することができる。 From the above, the phase angle of the voltage E Δ of the first signal that is the sum of the received signals of all the first antenna elements (#1 to #8) arranged at equal intervals on the circle, and the phase angle of the voltage E Δ arranged at the center of the circle The phase angle of the voltage E Ω of the second signal induced in the second antenna element (#9) is obtained by statistically analyzing the first signal and the second signal, which are the respective received signals, using the above (Equation 9) can be calculated using Therefore, by substituting each phase angle calculated using (9) into (5), the angle φ, which is the direction of the incoming wave, can be calculated.
[方向推定装置の動作]
次に、以上のように構成された方向推定装置10の動作について説明する。
[Operation of Direction Estimation Device]
Next, the operation of the
図7は、本実施の形態における方向推定装置10の動作概要を示すフローチャートである。まず、方向推定装置10は、第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号と、第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析する(S2)。次に、方向推定装置10は、第1信号と第2信号との位相差を算出する(S3)。
FIG. 7 is a flow chart showing an outline of the operation of
そして、方向推定装置10は、S3で算出した位相差を用いて、円形配列フェーズドアレーアンテナ1に到来した到来波の到来波方向を推定する(S4)。
Then, the
図8は、本実施の形態における方向推定装置10の動作の詳細を示すフローチャートである。図8は、図7に示す動作の詳細に該当する。
FIG. 8 is a flow chart showing the details of the operation of
まず、方向推定装置10は、第1アンテナ素子の合計信号電圧(第1信号)と、第2アンテナ素子の信号電圧(第2信号)とを所定時間取得する(S1)。
First, the
次に、方向推定装置10は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1が受信した受信信号を統計解析する(S2)。より詳細には、S2において、方向推定装置10は、所定時間の第1信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値(μI、μQ)を算出する(S21)。続いて、所定時間の第2信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値(μI、μQ)を算出する(S22)。なお、S21およびS22の処理の順番は逆でもよい。
Next, the
次に、方向推定装置10は、第1信号と第2信号との位相差を算出する(S3)。より詳細には、S3において、方向推定装置10は、S21で算出した所定時間の第1信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値(μI、μQ)から、第1信号の位相角∠EΔを算出する(S31)。続いて、方向推定装置10は、S22で算出した所定時間の第2信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値(μI、μQ)から、第2信号の位相角∠EΩを算出する(S32)。なお、S31およびS32の処理の順番は逆でもよい。続いて、方向推定装置10は、S31およびS32で算出した第1信号の位相角∠EΔと第2信号の位相角∠EΩとの差を算出することで、第1信号と第2信号との位相差を算出する(S33)。
Next, the
次に、方向推定装置10は、第1信号と第2信号との位相差が円形配列フェーズドアレーアンテナ1に対する到来波方向に略比例することから、S3で算出した位相差を用いて、到来波方向を推定する(S4)。
Next, since the phase difference between the first signal and the second signal is substantially proportional to the direction of the incoming wave with respect to the circular phased
[効果等]
以上のように、本実施の形態の方向推定装置10等によれば、多重波伝搬環境において受信電波の到来方向を高精度に検出できる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the
具体的には、本実施の形態の方向推定装置10は、円上に等間隔に配列されたN個(Nは3以上の自然数)の第1アンテナ素子と、円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いて、第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号と、第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、第1信号および第2信号の位相差を算出することにより、到来波方向を推定する。
Specifically, the
ここで、本実施の形態の方向推定装置10は、所定時間の第1信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値を算出し、かつ、所定時間の第2信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値を算出することで、第1信号と第2信号とを統計解析する。そして、第1信号の位相角を算出した同相成分および直交成分それぞれの平均値から算出し、第2信号の位相角を算出した同相成分および直交成分それぞれの平均値から算出する。
Here,
このようにして、本実施の形態の方向推定装置10等は、多重波伝搬環境において時々刻々と変化する到来波の直接波の到来波方向を高精度で推定することができる。それにより、方向推定装置10等を搭載したコネクテッドカーは、推定した到来波方向にビームを向けて常時最適な受信信号を得られるので、携帯電話基地局や他自動車間との通信を安定的に行える。
In this manner, the
<有効性の確認>
次に、本実施の形態に係る方向推定装置10等の有効性の確認を、計算機シミュレーションを使用して行った。
<Confirmation of validity>
Next, the effectiveness of the
図9Aは、本実施の形態における第1信号のXY平面における指向特性を示す図である。図9Bは、本実施の形態における第2信号のXY平面における指向特性を示す図である。図9Cは、本実施の形態における第1信号および第2信号それぞれのXY平面における位相特性を示す図である。図9A~図9Cには、モーメント法を用いて電磁界解析を行った結果が示されている。解析に使用した周波数は2GHzである。また、図9A~図9Cでは、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aを4.9cmとし、第1アンテナ素子および第2アンテナ素子それぞれには、半波長ダイポールアンテナを用い、素子間相互結合を考慮している。なお、XY平面とは、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の平面であり、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の円の領域を含む平面である。
FIG. 9A is a diagram showing directivity characteristics of the first signal on the XY plane according to the present embodiment. FIG. 9B is a diagram showing directivity characteristics of the second signal on the XY plane in this embodiment. FIG. 9C is a diagram showing phase characteristics on the XY plane of each of the first signal and the second signal in this embodiment. 9A to 9C show the results of electromagnetic field analysis using the method of moments. The frequency used for analysis is 2 GHz. 9A to 9C, the radius a of the circular array phased
図9Aから、第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの指向特性がXY平面において無指向性であるのがわかる。また、図9Bから、第2アンテナ素子の受信信号の指向特性がXY平面において無指向性であるのがわかる。そして、図9Cから、第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの複素指向性の位相特性はアジマス角度に応じて変化することがわかる。ここで、アジマス角度は、基準となる方位との間の角度である。これにより、第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの複素指向性の位相特性と第2アンテナ素子の受信信号の複素指向性の位相特性との差が、到来波方向に比例するのがわかる。 From FIG. 9A, it can be seen that the directivity characteristic when the signals received by the first antenna elements are summed is omnidirectional in the XY plane. Also, from FIG. 9B, it can be seen that the directivity of the received signal of the second antenna element is omnidirectional in the XY plane. From FIG. 9C, it can be seen that the phase characteristic of the complex directivity when the signals received by the first antenna elements are added changes according to the azimuth angle. Here, the azimuth angle is the angle with respect to the reference azimuth. As a result, the difference between the phase characteristics of the complex directivity when the signals received by the first antenna element are added and the phase characteristics of the complex directivity of the signals received by the second antenna element is proportional to the direction of the incoming wave. Recognize.
図10A~図10Dは、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1が受信した受信信号の特性の一例を示す図である。Kファクターは10dB、到来波方向は0度としている。Kファクターは直接波と反射波との電力比を示すので、Kファクター=10dBは、反射波に比べ直接波の受信信号のレベルが大きい伝搬環境を示している。より具体的には、図10Aは、Kファクター=10dB、到来波方向=0度のときの第1信号および第2信号のコンスタレーションを示す図である。図10Bは、図10Aに示す第1信号および第2信号の累積分布関数(CDF:Cumulative Distribution Function)特性を示す図である。図10Cは、図10Aに示す第1信号の同相成分(実数成分)の確率密度関数を示す図である。図10Dは、図10Aに示す第1信号の直交成分(虚数成分)の確率密度関数を示す図である。図10Eは、図10Aに示す第2信号の同相成分(実数成分)の確率密度関数を示す図である。図10Fは、図10Aに示す第2信号の直交成分(虚数成分)の確率密度関数を示す図である。なお、図10C~図10Fにおける曲枠線は、ガウス分布を示している。
10A to 10D are diagrams showing an example of characteristics of received signals received by the circular phased
図10Aにより、第1信号と第2信号とでコンスタレーションの中心が異なることがわかる。また、図10Bにより、ライス伝搬環境下では、第1信号および第2信号がコヒーレントなLOS成分の周りに存在することがわかる。また、図10Cおよび図10Dにより、第1信号の同相成分および直交成分がガウス分布に一致していることがわかる。そのため、上述した到来波方向の推定方法により第1信号の電圧EΔの位相角∠EΔが、161度であることがわかる。同様に、図10Eおよび図10Fにより、第2信号の同相成分および直交成分がガウス分布に一致していることがわかる。そのため、上述した到来波方向の推定方法により第2信号の電圧EΩの位相角∠EΩが、23度であることがわかる。なお、これらの値は、図9Cに示すアジマス角度0度の位相特性と一致している。これによっても、第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの複素指向性の位相特性と第2アンテナ素子の受信信号の複素指向性の位相特性との差が、到来波方向に比例するのがわかる。 It can be seen from FIG. 10A that the center of the constellation differs between the first signal and the second signal. Also, from FIG. 10B, it can be seen that the first signal and the second signal exist around the coherent LOS component under the Rician propagation environment. Also, from FIGS. 10C and 10D, it can be seen that the in-phase component and the quadrature component of the first signal match the Gaussian distribution. Therefore, it can be seen that the phase angle ∠E Δ of the voltage E Δ of the first signal is 161 degrees by the method of estimating the direction of arrival of the incoming wave described above. Similarly, FIGS. 10E and 10F show that the in-phase and quadrature components of the second signal conform to Gaussian distributions. Therefore, it can be seen that the phase angle ∠E Ω of the voltage E Ω of the second signal is 23 degrees by the method of estimating the direction of arrival of the incoming wave described above. Note that these values match the phase characteristics at an azimuth angle of 0 degree shown in FIG. 9C. Also by this, the difference between the phase characteristics of the complex directivity when the signals received by the first antenna element are added and the phase characteristics of the complex directivity of the signals received by the second antenna element is proportional to the direction of the incoming wave. I understand.
図11Aおよび図11Bは、Kファクター=10dBで到来波方向を変化させたときの第1信号および第2信号のコンスタレーションを示す図である。図11Aは、到来波方向が120度のときを示しており、図11Bは、到来波方向が300度のときを示している。図10A、図11Aおよび図11Bから、到来波方向が変化すると、第1信号および第2信号のコンスタレーションにおける相対位置は維持されていないが、到来波方向と第1信号および第2信号のコンスタレーションにおける位置とは相関があるのがわかる。 FIGS. 11A and 11B are diagrams showing constellations of the first signal and the second signal when the direction of arrival is changed with a K factor of 10 dB. FIG. 11A shows when the incoming wave direction is 120 degrees, and FIG. 11B shows when the incoming wave direction is 300 degrees. From FIGS. 10A, 11A, and 11B, it can be seen that when the direction of arrival changes, the relative positions of the first and second signal constellations are not maintained, but the directions of arrival and the constellations of the first and second signals change. It can be seen that there is a correlation with the position in the ration.
図12は、本実施の形態における推定方法により到来波方向を推定した結果を示す図である。図12では、Kファクター=10dB、0dBの場合における到来波方向を推定した結果が示されている。図12に示すように、Kファクター=10dB、0dBの場合の推定結果と理想的な推定結果とほぼ一致していることから、本実施の形態における推定方法により到来波方向を推定できているのがわかる。 FIG. 12 is a diagram showing the result of estimating the direction of arrival of an incoming wave by the estimation method according to this embodiment. FIG. 12 shows the results of estimating the direction of arrival of waves when the K factor is 10 dB and 0 dB. As shown in FIG. 12, the estimation results for K factor = 10 dB and 0 dB substantially match the ideal estimation results. I understand.
図13A~図13Cは、到来波方向=0度でKファクターを変化させたときの第1信号および第2信号のコンスタレーションを示す図である。図13AはKファクターが6dBのとき、図13BはKファクターが3dBのとき、図13CはKファクターが0dBのときを示している。図13A~図13Cに示すように、到来波方向が一定でも、Kファクターが小さくなっていく、すなわち、反射波の受信信号のレベルが直接波の受信信号のレベルと同等になっていく伝搬環境においては、第1信号と第2信号とにおけるコンスタレーションの中心は異なるものの区別がつきにくくになっていることがわかる。 13A to 13C are diagrams showing constellations of the first signal and the second signal when the K factor is changed with the direction of arrival=0 degrees. 13A shows when the K factor is 6 dB, FIG. 13B shows when the K factor is 3 dB, and FIG. 13C shows when the K factor is 0 dB. As shown in FIGS. 13A to 13C, even if the direction of arrival of the wave is constant, the K factor decreases, that is, the level of the received signal of the reflected wave becomes equal to the level of the received signal of the direct wave. , it can be seen that although the centers of the constellations of the first signal and the second signal are different, they are difficult to distinguish.
図14は、本実施の形態における推定方法による到来波方向の推定の誤差を示す図である。図14により、到来波角度φmと実際の到来波方向φの差すなわち推定誤差は、Kファクターが0dB以上であれば1度以内であることがわかる。さらに、推定誤差は、Kファクターが-10dBである場合、すなわち直接波の電力が反射波の電力の1/10である場合でも4度以下の誤差精度で推定できることがわかる。 FIG. 14 is a diagram showing an error in estimating the direction of arrival of an incoming wave by the estimation method according to this embodiment. It can be seen from FIG. 14 that the difference between the incoming wave angle φm and the actual incoming wave direction φ, that is, the estimation error is within 1 degree if the K factor is 0 dB or more. Furthermore, it can be seen that the estimation error can be estimated with an error accuracy of 4 degrees or less even when the K factor is -10 dB, that is, when the power of the direct wave is 1/10 of the power of the reflected wave.
以上のシミュレーション結果より、所定時間の受信信号(第1信号および第2信号それぞれ)におけるIQ信号成分の平均値を用いた到来波方向の推定方法によって、多重波伝搬環境においても受信電波の到来方向が高精度で推定できることがわかった。 From the above simulation results, it was found that the arrival direction estimation method using the average value of the IQ signal components in the received signals (the first signal and the second signal respectively) for a predetermined time can estimate the direction of arrival of the received radio waves even in a multi-wave propagation environment. can be estimated with high accuracy.
<円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径等の確認>
次に、直接波のみの環境において、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径および第1アンテナ素子の最適な数についての確認を計算機シミュレーションを使用して行った。
<Confirmation of Radius, etc. of Circular Phased
Next, computer simulation was used to confirm the optimum number of the first antenna elements and the radius of the circular array phased
図15は、本実施の形態における第1信号の電圧EΔの振幅を示す図である。図15には、解析に使用した周波数を2GHz、到来波方向を0度として、第1アンテナ素子が8個の場合における第1信号の電圧EΔの振幅が示されている。図15における1点鎖線は、第1信号の電圧EΔのベッセル関数表記での振幅が示されている。図15に示す振幅は、半径aが4.4cmのときに最大値を有する。本実施の形態では円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径aを4.9cmとした。
FIG. 15 is a diagram showing the amplitude of the voltage EΔ of the first signal in this embodiment. FIG. 15 shows the amplitude of the voltage EΔ of the first signal when the frequency used for the analysis is 2 GHz, the direction of the incoming wave is 0 degrees, and the number of first antenna elements is eight. The dashed-dotted line in FIG. 15 indicates the amplitude of the voltage EΔ of the first signal in Bessel function notation. The amplitude shown in FIG. 15 has a maximum value when the radius a is 4.4 cm. In this embodiment, the radius a of the circular array phased
図16は、円形配列フェーズドアレーアンテナの半径aを変化させた場合における到来波方向の推定結果を示す図である。図16では、解析に使用した周波数を2GHzとして、半径a=4.9cmと半径a=8.5cmとにおいて本実施の形態の推定方法による推定結果が示されている。図16により、半径a=8.5cmの場合と比較して、半径a=4.9cmの場合には、より高い推定精度が達成できていることがわかる。 FIG. 16 is a diagram showing results of estimating the direction of incoming waves when the radius a of the circular phased array antenna is changed. FIG. 16 shows the results of estimation by the estimation method of the present embodiment at radii a=4.9 cm and radii a=8.5 cm, with the frequency used for analysis being 2 GHz. It can be seen from FIG. 16 that higher estimation accuracy can be achieved when radius a=4.9 cm than when radius a=8.5 cm.
図17は、円形配列フェーズドアレーアンテナの半径aを変化させた場合における到来波方向の推定誤差を示す図である。図17では、半径a=4cm、4.9cm、6cm、7cmに変化させた場合の本実施の形態における推定方法による到来波方向の推定の誤差が示されている。図17により、半径aが小さくなると誤差は小さくなり、半径aが6cm~4cmの場合には0.1度未満の誤差となるのがわかる。 FIG. 17 is a diagram showing an estimation error of the direction of arrival of a wave when the radius a of the circular phased array antenna is changed. FIG. 17 shows the error in estimating the direction of arrival of the wave by the estimation method according to this embodiment when the radius a is changed to 4 cm, 4.9 cm, 6 cm, and 7 cm. It can be seen from FIG. 17 that the smaller the radius a, the smaller the error, and the error is less than 0.1 degrees when the radius a is 6 cm to 4 cm.
図18は、第1アンテナ素子の数を変化させた場合における到来波方向の推定誤差を示す図である。図18では、半径a=4.9cmとし、第1アンテナ素子の数Nを4、6、7、8、9に変化させた場合の本実施の形態における推定方法による到来波方向の推定の誤差が示されている。図18により、第1アンテナ素子の数Nが7より大きい8または9の場合には誤差は0.2度未満の誤差となっているのがわかる。 FIG. 18 is a diagram showing an estimation error of the arrival direction when the number of first antenna elements is changed. In FIG. 18, when the radius a is 4.9 cm and the number N of the first antenna elements is changed to 4, 6, 7, 8, and 9, the estimation error of the arrival direction by the estimation method in this embodiment is It is shown. It can be seen from FIG. 18 that when the number N of the first antenna elements is 8 or 9, which is greater than 7, the error is less than 0.2 degrees.
以上、本実施の形態の方向推定装置10等によれば、所定時間の受信信号における同相成分および直交成分の平均値を用いることで、円形配列フェーズドアレーアンテナ1を利用して、多重波伝搬環境において反射波の影響なく直接波の到来波方向を高精度に検出できる。
As described above, according to the
なお、本実施の形態の方向推定装置10は、RF部において受信信号を処理することができるので、簡便な方法で到来波方向を推定できる。
Note that the
さらに、本実施の形態の方向推定装置10等を利用し、直接波の到来波方向を高精度で推定することで、ビームを推定した到来波方向に向けて常時最適な受信信号を得ることができる。これにより、超高速通信を実現できる。また、推定した到来波方向にビームを向けることで、コネクテッドカーなどの自動車IoTなどが実現でき、リコールの案内や車載ソフトウェアの更新なども行えるようになる。さらには、収集した走行データなどのビッグデータを解析することにより自動運転に活用できる。
Furthermore, by estimating the direction of arrival of the direct wave with high accuracy using the
(実施の形態2)
実施の形態1では、N=8すなわち第1アンテナ素子が8個のアンテナ素子で構成される場合を例に挙げて説明した。本実施の形態では、例えば4個または5個など第1アンテナ素子が8個より少ない数のアンテナ素子で構成される場合について説明する。
(Embodiment 2)
In
図19Aは、第1アンテナ素子が4個または8個で構成される円形配列フェーズドアレーアンテナ1における到来波方向の推定結果を示す図である。図19Bは、第1アンテナ素子が4個または8個で構成される円形配列フェーズドアレーアンテナ1における到来波方向の推定誤差を示す図である。図19Aおよび図19Bでは、幾何位相モデルを用いた解析に使用した周波数を2GHz、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の半径a=4.9cmとしている。図19Aおよび図19Bに示すように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の第1アンテナ素子が8個のアンテナ素子で構成される場合より4個のアンテナ素子で構成される方が推定精度が低くなるのがわかる。また、図19Bに示すように、4個のアンテナ素子で構成される場合、誤差は約15度になっているのがわかる。
FIG. 19A is a diagram showing the estimation result of the direction of arrival of the circular phased
このように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1では、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数が少なくなるに従って誤差が増大する。
Thus, in the circular phased
以下では、第1アンテナ素子が8個より少ない数のアンテナ素子で構成される場合でも、誤差が増大しない、すなわち推定精度を維持する推定方法について説明する。 In the following, an estimation method will be described that does not increase errors, that is, maintains estimation accuracy even when the first antenna element is composed of less than eight antenna elements.
[方向推定装置の構成]
図20は、本実施の形態における方向推定装置10Aの構成の一例を示す図である。図1と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
[Configuration of direction estimation device]
FIG. 20 is a diagram showing an example of the configuration of
図20に示すように、本実施の形態における方向推定装置10Aは、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aと、加算部2Aと、演算部3Aとを備える。本実施の形態における方向推定装置10Aは、例えばコネクテッドカーに搭載されてもよいし、住宅に設置されてもよい。図20では、4個のアンテナ素子を有する円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの例が示されている。
As shown in FIG. 20, a
[円形配列フェーズドアレーアンテナ1A]
円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aは、実施の形態1で説明した円形配列フェーズドアレーアンテナ1の一具体例である。すなわち、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aは、円上に等間隔に配列された4個の第1アンテナ素子と、当該円の略中心に配された1個の第2アンテナ素子とからなる。なお、第1アンテナ素子に接続される負荷インピーダンスは、第1アンテナ素子それぞれの位相特性を一定にする所定の値に設定されている。所定の値は、例えば、-j38.52Ωである。これにより、第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とは、当該円の領域を含む平面が無指向性のアンテナ素子となる。その他については実施の形態1で説明した円形配列フェーズドアレーアンテナ1の通りであるので説明を省略する。
[Circular array phased
Circular array phased
図21は、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの構成の一例を示す図である。図22は、図21に示す円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの具体的構成例を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing an example of the configuration of a circular phased
図21および図22に示すように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aは、半径aの円周上に90度間隔で配列された4個のアンテナ素子(第1アンテナ素子:#1~#4)と、円の中心に配置された1個のアンテナ素子(第2アンテナ素子:#5)で構成される。ここで、半径aは、例えば4.9cmである。
As shown in FIGS. 21 and 22, the circular array phased
そして、4個の第1アンテナ素子の受信信号を足し合わせたときの位相と、中心に配置された1個の第2アンテナ素子の受信信号の位相の差を求めることにより受信信号の到来波方向を推定できる。その推定方法について、以下説明する。 Then, the direction of arrival of the received signal is obtained by obtaining the phase difference between the sum of the received signals of the four first antenna elements and the phase of the received signal of the second antenna element arranged in the center. can be estimated. The estimation method will be described below.
<推定方法>
図21および図22に示す円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの平面であるXY平面のX軸とφをなす方向から受信電波が到来するとする。この場合、受信電波によってi番目の第1アンテナ素子に誘起される信号すなわち電圧Viは、次の(式10)から算出できる。
<Estimation method>
It is assumed that received radio waves arrive from a direction forming φ with the X-axis of the XY plane, which is the plane of the circular phased
第1アンテナ素子(#1~#4)ごとに受信のタイミングが微妙にずれるので、それを反映するために、(式11)で定義される重み関数Wiを(式10)から算出した電圧Viにかけて重み付けする。なお、(式11)で定義される重み関数Wiは、図21および図22に示される第1アンテナ素子(#1~#4)の配置に応じて位相を反時計回りに変化させたものになっている。 Since the reception timing is slightly different for each of the first antenna elements (#1 to #4), in order to reflect this, the weight function W i defined by (Equation 11) is calculated from (Equation 10). Weighted by Vi. The weighting function W i defined by (Equation 11) is obtained by changing the phase counterclockwise according to the arrangement of the first antenna elements (#1 to #4) shown in FIGS. It has become.
そして、円上の全第1アンテナ素子の信号を足し合わせれば、4個の第1アンテナ素子それぞれの受信信号の合計である第1信号の電圧EΔを得ることができる。この第1信号の電圧EΔは、(式12)から算出できる。 Then, by summing the signals of all the first antenna elements on the circle, it is possible to obtain the voltage EΔ of the first signal, which is the sum of the signals received by each of the four first antenna elements. The voltage E Δ of this first signal can be calculated from (Equation 12).
ここで、(式12)に示される要素は4であるが、第1信号の電圧EΔの性質を理解するために第1アンテナ素子の数が無限個になった場合を考察すると、電圧EΔはベッセル関数を用いて以下の(式13)で表すことができる。 Here, the element shown in (Equation 12) is 4, but considering the case where the number of first antenna elements is infinite in order to understand the nature of the voltage E Δ of the first signal, the voltage E Δ can be represented by the following (Equation 13) using a Bessel function.
また、X軸とφをなす方向から到来する受信電波によって第2アンテナ素子(#5)に誘起される信号(第2信号)の電圧をEΩとする。さらに、第2信号の電圧EΩの位相角を∠EΩ、第1信号の電圧EΔの位相角を∠EΔとすれば、実施の形態1と同様に、位相差φmは以下の(式14)を用いて算出することができる。 Also, let EΩ be the voltage of the signal (second signal) induced in the second antenna element (#5) by the received radio wave arriving from the direction forming φ with the X axis. Furthermore, if the phase angle of the voltage E Ω of the second signal is ∠E Ω and the phase angle of the voltage E Δ of the first signal is ∠E Δ , the phase difference φ m is given by the following, as in the first embodiment. It can be calculated using (Equation 14).
したがって、第1信号と第2信号との位相差φmは、受信電波の到来波角度φにほぼ比例した値となっているのがわかる。このようにして、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aを用いることで、到来波方向を推定できる。
Therefore, it can be seen that the phase difference φm between the first signal and the second signal is approximately proportional to the incoming wave angle φ of the received radio wave. In this manner, the direction of arrival of a wave can be estimated by using the circular phased
しかしながら、図19Aおよび図19Bを用いて説明したように、4個のアンテナ素子で構成される第1アンテナ素子を有する円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの誤差は約15度になり、推定精度が低くなってしまう。
However, as described with reference to FIGS. 19A and 19B, the error of the circular array phased
なお、図21および図22からわかるように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aでは、第1アンテナ素子が円周上に等間隔で配置された対称構造となっている。また、図19Bからわかるように、推定誤差は0度の値を対称に発生している。
As can be seen from FIGS. 21 and 22, the circular phased
そこで、本実施の形態では、第2の推定方法として、第1信号を、位相を反時計回りに変化させた重み関数だけでなく、さらに、位相を時計回りに変化させた重み関数を用いて算出した信号からなるとする。より具体的には、第1アンテナ素子それぞれの受信信号に対して、第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、当該配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号とから第1信号を算出する。なお、以降では、実施の形態1および上記で説明した推定方法を第1の推定方法と呼ぶ。
Therefore, in the present embodiment, as a second estimation method, the weight function obtained by changing the phase of the first signal clockwise is used in addition to the weight function obtained by changing the phase counterclockwise. Suppose that it consists of the calculated signal. More specifically, a third signal obtained by multiplying the received signal of each of the first antenna elements by a phase weighting function according to the arrangement of the first antenna elements and totaling them, and the phase and the opposite phase according to the arrangement A first signal is calculated from a fourth signal summed by multiplying by a weighting function of . In addition, henceforth, the estimation method demonstrated in
以下、第2の推定方法について以下説明する。 The second estimation method will be described below.
第1アンテナ素子の配置位置によって決定される重み関数を(式15)及び(式16)のように定義する。 A weighting function determined by the arrangement position of the first antenna element is defined as (Equation 15) and (Equation 16).
ここで、(式15)で定義される重み関数Wi aは、図21および図22に示される第1アンテナ素子(#1~#4)の配置に応じた位相すなわち反時計回りに重みを変化させたものに対応する。(式15)で定義される重み関数Wi aは、第1の推定方法で定義される重み関数Wiと同じであり、-π/4からπ/2ずつ減少する重み関数となる。一方、(式16)で定義される重み関数Wi bは、図21および図22に示される第1アンテナ素子(#1~#4)の配置に応じた位相と逆位相すなわち時計回りに重みを変化させたものに対応する。(式16)で定義される重み関数Wi bは、第1の推定方法で定義される重み関数Wiと逆位相となっており、-7π/4からπ/2ずつ増加する重み関数となる。 Here, the weighting function W i a defined by (Equation 15) weights the phase according to the arrangement of the first antenna elements (#1 to #4) shown in FIGS. Respond to changes. The weighting function W i a defined by (Equation 15) is the same as the weighting function W i defined in the first estimation method, and is a weighting function that decreases by π/2 from -π/4. On the other hand, the weighting function W i b defined by (Equation 16) is weighted in phase and antiphase according to the arrangement of the first antenna elements (#1 to #4) shown in FIGS. corresponds to a change in The weighting function W i b defined by (Equation 16) is opposite in phase to the weighting function W i defined by the first estimation method, and the weighting function increases by π/2 from −7π/4. Become.
(式10)の電圧Viに、係数としての(式15)および(式16)をかけて重み付けした後、円上の全第1アンテナ素子の信号を足し合わせれば、第3信号の電圧EΔ aおよび第4信号の電圧EΔ bを得ることができる。より具体的には、第3信号の電圧EΔ aは(式17)を用いて算出され、第4信号の電圧EΔ bは(式18)を用いて算出される。 After weighting the voltage Vi of (Equation 10) by multiplying (Equation 15) and (Equation 16) as coefficients, adding the signals of all the first antenna elements on the circle gives the voltage E Δ of the third signal a and the voltage E Δ b of the fourth signal can be obtained. More specifically, the voltage E Δ a of the third signal is calculated using (Equation 17), and the voltage E Δ b of the fourth signal is calculated using (Equation 18).
図23は、第2の推定方法の概略の説明図である。 FIG. 23 is a schematic explanatory diagram of the second estimation method.
図23において、y=∠EΔ aで示される実線は、(式17)を用いて算出された第3信号の電圧EΔ aの位相角であり、y=∠EΔ bで示される点線は、(式18)を用いて算出された第4信号の電圧EΔ bの位相角である。図23から、第3信号の電圧EΔ aの位相角は到来波角度と同じ正の傾き(y=φ)を示している一方で、第4信号の電圧EΔ bの位相角は負の傾き(y=2π―φ)であることがわかる。ここで、第4信号の電圧EΔ bの位相角とy=2π―φとの差δを計算すると(式19)で表すことができる。 In FIG. 23, the solid line indicated by y=∠E Δ a is the phase angle of the voltage E Δ a of the third signal calculated using (Equation 17), and the dotted line indicated by y=∠E Δ b is the phase angle of the voltage E Δ b of the fourth signal calculated using (Equation 18). From FIG. 23 , the phase angle of the voltage E Δ a of the third signal exhibits the same positive slope (y=φ) as the incoming wave angle, while the phase angle of the voltage E Δ b of the fourth signal exhibits a negative slope. It can be seen that the slope is (y=2π-φ). Here, calculating the difference δ between the phase angle of the voltage E Δb of the fourth signal and y=2π−φ can be expressed by (Equation 19).
次に、(式20)に示すように、y=φに(式19)に示される差δを加える。これにより、第4信号の電圧EΔ bの位相角を示すy=∠EΔ bを、図23で点線で示されるy=∠EΔS bに変換することができる。 Next, as shown in (Formula 20), the difference δ shown in (Formula 19) is added to y=φ. As a result, y=∠E Δb indicating the phase angle of the voltage E Δb of the fourth signal can be converted into y=∠E ΔS b indicated by the dotted line in FIG .
最後に、第3信号の電圧EΔ aの位相と第4信号の電圧EΔ bの位相との平均値である平均位相角∠EΔaveは、(式21)に示すように、第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aと、変換された第4信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔS bとから算出できる。 Finally, the average phase angle ∠E Δave , which is the average value between the phase of the voltage E Δa of the third signal and the phase of the voltage E Δb of the fourth signal, is obtained by the third signal and the phase angle ∠E ΔS b of the voltage E Δb of the converted fourth signal.
図23からわかるように、実線で示される平均位相角∠EΔaveは、実線で示される第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aと比較して、y=φとの差(誤差)が小さくなっていることがわかる。 As can be seen from FIG. 23, the average phase angle ∠E Δave indicated by the solid line is compared with the phase angle ∠E Δa of the voltage E Δa of the third signal indicated by the solid line, and the difference from y = φ ( error) is reduced.
したがって、第2の推定方法では、第1信号と第2信号との位相差φmを、第1の推定方法で用いた(式14)に代えて(式22)を用いて算出することができる。そして、第1信号と第2信号との位相差φmは、受信電波の到来波角度φにほぼ比例した値となっていることから、(式22)を用いても到来波方向を推定できるだけでなく、(式14)を用いる場合と比較してより精度よく到来波方向を推定できる。 Therefore, in the second estimation method, the phase difference φm between the first signal and the second signal can be calculated using (Equation 22) instead of (Equation 14) used in the first estimation method. can. Since the phase difference φm between the first signal and the second signal is approximately proportional to the incoming wave angle φ of the received radio wave, it is possible to estimate the direction of the incoming wave using (Equation 22). However, the direction of arrival of the wave can be estimated more accurately than when using (Equation 14).
[加算部2A]
加算部2Aは、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を加算して第1信号を算出する。加算部2Aは、算出した第1信号を演算部3Aに出力する。なお、加算部2Aは、実施の形態1と同様に、演算部3Aに含まれるとしてもよい。
[
The
本実施の形態では、加算部2Aは、第1信号として、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号とを算出する。図20に示すように、加算部2Aは、例えば-π/4からπ/2ずつ減少する重みなど第1アンテナ素子(#1~#4)の配置に応じた位相の反時計回りに重みを変化させた重み関数を第1アンテナ素子それぞれの受信信号にかけて合計した第3信号を算出する。また、同時に、加算部2Aは、例えば-7π/4からπ/2ずつ増加する重みなど、第1アンテナ素子(#1~#4)の配置に応じた位相と逆の反時計回りに重みを変化させた重み関数を第1アンテナ素子それぞれの受信信号にかけて合計した第4信号を算出する。
In the present embodiment, the
[演算部3A]
演算部3Aは、第1信号の位相角と第2信号の位相角との差を算出することで、第1信号および第2信号の位相差を算出する。
[
The
本実施の形態では、演算部3Aは、加算部2Aから4個の第1アンテナ素子の信号の合計である第3信号および第4信号を取得し、第2アンテナ素子から、第2信号を取得する。そして、演算部3Aは、第1信号の位相として、第3信号の位相および第4信号の位相の平均を算出する。
In the present embodiment, the
また、演算部3Aは、所定時間の第3信号および第4信号における同相成分および直交成分の平均値を算出することで、第1信号を統計解析すればよい。そして、演算部3Aは、第1信号の位相角である平均位相角∠EΔaveを、第3信号および第4信号それぞれの同相平均値および直交平均値から算出すればよい。
Moreover, the
[方向推定装置の動作]
次に、以上のように構成された方向推定装置10Aの動作について説明する。
[Operation of Direction Estimation Device]
Next, the operation of the
図24は、本実施の形態における方向推定装置10Aの動作の詳細を示すフローチャートである。図24は、図7に示す動作の詳細に該当する。図7および図8と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
FIG. 24 is a flowchart showing details of the operation of
まず、方向推定装置10Aは、第1アンテナ素子の2つの合計信号電圧(第1信号)と、第2アンテナ素子の信号電圧(第2信号)とを所定時間取得する(S1A)。本実施の形態では、方向推定装置10Aは、第1信号として、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、第1アンテナ素子それぞれの受信信号を第1アンテナ素子の配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号を取得する。
First, the
次に、方向推定装置10Aは、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aが受信した受信信号を統計解析する(S2)。より詳細には、S2Aにおいて、方向推定装置10Aは、所定時間の2つの第1信号(第3信号および第4信号)毎における同相成分および直交成分それぞれの平均値を算出する(S21A)。続いて、所定時間の第2信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値を算出する(S22)。なお、S21AおよびS22の処理の順番は逆でもよい。
Next, the
次に、方向推定装置10Aは、第1信号と第2信号との位相差を算出する(S3)。より詳細には、S3において、方向推定装置10Aは、S21Aで算出した所定時間の2つの第1信号(第3信号および第4信号)それぞれにおける同相成分および直交成分それぞれの平均値から、2つの第1信号(第3信号および第4信号)の位相角を算出する(S31A)。続いて、方向推定装置10Aは、S31で算出した2つの第1信号(第3信号および第4信号)の位相角の平均を算出する(S31B)。本実施の形態では、方向推定装置10Aは、S21Aで算出した第3信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値から第3信号の位相角∠EΔ
aを算出し、S21Aで算出した第4信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値から第4信号の位相角∠EΔ
bを算出する。方向推定装置10Aは、S31Bで算出した第3信号の位相角∠EΔ
aと第4信号の位相角∠EΔ
bとの平均位相角∠EΔaveを第1信号の位相角∠EΔとして算出する。続いて、方向推定装置10Aは、S22で算出した所定時間の第2信号における同相成分および直交成分それぞれの平均値から、第2信号の位相角∠EΩを算出する(S32)。なお、S31A、S31B21とS32との処理の順番は逆でもよい。続いて、方向推定装置10Aは、S31BおよびS32で算出した第1信号の位相角∠EΔ(すなわち平均位相角∠EΔave)と第2信号の位相角∠EΩとの差を算出することで、第1信号と第2信号との位相差φmを算出する(S33)。
Next, the
次に、方向推定装置10Aは、第1信号と第2信号との位相差φmが円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aに対する到来波方向φに略比例することから、S3で算出した位相差φmを用いて、到来波方向を推定する(S4)。
Next, since the phase difference φm between the first signal and the second signal is approximately proportional to the direction of arrival of the wave with respect to the circular phased
[効果等]
以上のように、本実施の形態の方向推定装置10A等によれば、多重波伝搬環境においてフェージングの影響により受信信号の位相角が時々刻々変化しても、受信信号を統計解析することにより到来波方向を高精度で推定できる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the
それにより、方向推定装置10A等を搭載したコネクテッドカーは、推定した到来波方向にビームを向けて常時最適な受信信号を得られるので、携帯電話基地局または他自動車間との通信を安定的に行える。
As a result, a connected car equipped with a
ところで、近年、住宅の省エネ化を実現する「スマートハウス」に注目が集まっている。スマートハウスでは、昼間に太陽光で発電した電力を蓄電池に蓄えておき、夜間などに使用する。さらに、スマートハウスでは、省エネ性能に優れた家電をネットワークでつなぎ、自動コントロールによって消費電力を制御する。このように、スマートハウスでは、住宅で発電し、効率よく生活に使用することで、電力自給自足を目指している。例えば、スマートハウスでは、外出先からスマートフォンを使って、帰宅前にお風呂のお湯張りをすることで無駄なエネルギーを削減することができる。また、帰宅時間にあわせてエアコンまたは床暖房をONにすることでユーザが家に帰る頃には快適な室内環境にすることができる。また、照明を消し忘れていればOFFにすることで不要な消費電力をなくすことができる。このように、スマートハウスは、インターネットを介して家電機器を制御することにより住宅における省エネを実現し、二酸化炭素排出量を削減する。このように、スマートハウスは、家電製品または照明設備など家中の電気製品をネットワーク化し、電力の効率的な利用を図ることができる。 By the way, in recent years, attention has been focused on "smart houses" that realize energy saving in houses. In a smart house, solar power generated during the day is stored in storage batteries and used at night. Furthermore, in a smart house, home appliances with excellent energy-saving performance are connected to a network, and power consumption is controlled by automatic control. In this way, the smart house aims to achieve power self-sufficiency by generating power at home and using it efficiently in daily life. For example, in a smart house, it is possible to reduce wasted energy by using a smartphone to fill the bath with hot water before returning home. In addition, by turning on the air conditioner or the floor heating according to the time when the user returns home, it is possible to create a comfortable indoor environment by the time the user returns home. Also, if you forget to turn off the lighting, turning it off can eliminate unnecessary power consumption. In this way, the smart house achieves energy saving in the house and reduces carbon dioxide emissions by controlling home appliances via the Internet. In this way, a smart house can network electric appliances such as home appliances or lighting equipment in the house and use electric power efficiently.
そして、このようなスマートハウスを実現するには、壁または床、家具の通過による大きなレベル減衰と反射による著しいマルチパス環境下において必ず接続できる高信頼性通信を実現する必要がある。また、住宅内に設置されることを考慮すると、できるだけ小型で高精度な到来波推定機能を有したシステムの開発が望まれる。 In order to realize such a smart house, it is necessary to realize highly reliable communication that can always be connected in a multipath environment due to large level attenuation and reflection due to passing through walls, floors, and furniture. Considering that the system will be installed in a house, it is desirable to develop a system that is as small as possible and has a function of estimating incoming waves with high accuracy.
そこで、本実施の形態の方向推定装置10A等によれば、4個または5個など第1アンテナ素子が8個より少ないアンテナ素子から構成されていても、直接波の到来波方向を高精度で推定することができる。これにより、より小型な装置で到来波方向を高精度で推定できる。これにより、到来波方向にビームを向けることで常時最適な受信信号を得られるので、高信頼性通信を実現できる。つまり、本実施の形態の方向推定装置10Aを用いるとスマートハウスを実現することができる。
Therefore, according to the
なお、上述した第2の推定方法は、第1アンテナ素子が4個または5個のアンテナ素子で構成される場合に限らず、第1アンテナ素子が6個以上のアンテナ素子で構成される場合にも適用できる。 In addition, the second estimation method described above is not limited to the case where the first antenna element is composed of four or five antenna elements, and when the first antenna element is composed of six or more antenna elements. can also be applied.
<有効性の確認>
次に、本実施の形態に係る方向推定装置10A等の有効性の確認を行ったので、以下に説明する。まず、幾何位相モデルを用いて到来波方向の推定誤差を解析した。
<Confirmation of validity>
Next, the effectiveness of the
図25Aは、N=4の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定結果を示す図である。図25Bは、N=4の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定誤差を示す図である。図25Aおよび図25Bでは、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子のそれぞれは電磁結合がない理想的なアイソトロピックアンテナとし、直接波のみの伝搬環境とした。また、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nは4とし、半径a=4.9cm、周波数=2GHzとした。 FIG. 25A is a diagram showing estimation results of directions of arrival of waves estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=4. FIG. 25B is a diagram showing the estimation error of the direction of arrival estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=4. In FIGS. 25A and 25B, each of the antenna elements forming the first antenna element is an ideal isotropic antenna with no electromagnetic coupling, and a propagation environment for direct waves only. Also, the number N of antenna elements constituting the first antenna element was 4, the radius a was 4.9 cm, and the frequency was 2 GHz.
図25Aの詳細は図23で説明した通りであるので、省略する。図25Bにおいて、平均位相角∠EΔaveが示すように、第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aの推定誤差と、第4信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔ bの推定誤差とが打ち消しあっているのがわかる。つまり、第1の推定方法である位相角∠EΔ aのみを用いるよりも、第2の推定方法である位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとの平均値である平均位相角∠EΔaveを用いる方が推定誤差が小さくなるのがわかる。 The details of FIG. 25A are the same as those described with reference to FIG. 23, and therefore are omitted. In FIG . 25B , as shown by the average phase angle ∠E Δave , the estimation error of the phase angle ∠E Δa of the voltage E Δa of the third signal and the phase angle ∠E Δb of the voltage E Δb of the fourth signal It can be seen that the estimation error of That is, rather than using only the phase angle ∠E Δ a according to the first estimation method, the average phase angle, which is the average value of the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b It can be seen that the estimation error is smaller when ∠E Δave is used.
図26Aは、N=5の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定結果を示す図である。図26Bは、N=5の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定誤差を示す図である。図26Aおよび図26Bでも、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子のそれぞれは電磁結合がない理想的なアイソトロピックアンテナとし、直接波のみの伝搬環境とした。また、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nは5とし、半径a=4.9cm、周波数=2GHzとした。図26Aの詳細も概ね図23で説明した通りであるので、省略する。 FIG. 26A is a diagram showing estimation results of directions of arrival of waves estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=5. FIG. 26B is a diagram showing an estimation error of the direction of arrival estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=5. In FIGS. 26A and 26B as well, each of the antenna elements forming the first antenna element is an ideal isotropic antenna without electromagnetic coupling, and a propagation environment for direct waves only. The number N of antenna elements constituting the first antenna element was 5, the radius a was 4.9 cm, and the frequency was 2 GHz. The details of FIG. 26A are also substantially the same as those described with reference to FIG. 23, and therefore are omitted.
図26Bにおいて、第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aの推定誤差と、第4信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔ bの推定誤差とは符号が同じとなっている。そのため、位相角∠EΔS b=φ―δとすることで、図26Aおよび図26Bに示される平均位相角∠EΔaveにすることができる。よって、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数が5個の場合でも、第1の推定方法である位相角∠EΔ aのみを用いるよりも、第2の推定方法である位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとの平均値である平均位相角∠EΔaveを用いる方が推定誤差が小さくなるのがわかる。 In FIG. 26B, the estimation error of the phase angle ∠E Δ a of the voltage E Δ a of the third signal and the estimation error of the phase angle ∠ E Δ b of the voltage E Δ b of the fourth signal have the same sign. there is Therefore, by setting the phase angle ∠E ΔS b =φ−δ, the average phase angle ∠E Δave shown in FIGS. 26A and 26B can be obtained. Therefore, even when the number of antenna elements constituting the first antenna element is five, the phase angle ∠E It can be seen that the estimation error is smaller when the average phase angle ∠E Δave , which is the average value of Δa and the phase angle ∠E Δb , is used.
次に、本実施の形態に係る方向推定装置10A等の有効性の確認を計算機シミュレーションを使用して行った。
Next, the effectiveness of the
図27は、本実施の形態における第1アンテナ素子の負荷インピーダンスを変化させたときの第2アンテナ素子の位相特性を示す図である。図27では、図21に示すように4個のアンテナ素子からなる第1アンテナ素子と1個の第2アンテナ素子を有する円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aをモデル化した解析モデルに対してモーメント法を用いて電磁界解析を行った結果が示されている。解析に使用した周波数は2GHzである。円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの半径aを4.9cmとし、第1アンテナ素子および第2アンテナ素子それぞれには、半波長ダイポールアンテナを用い、素子間相互結合を考慮している。
FIG. 27 is a diagram showing phase characteristics of the second antenna element when the load impedance of the first antenna element is changed in this embodiment. In FIG. 27, the method of moments is applied to an analytical model of a circular array phased
第2アンテナ素子の位相特性は、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aにおいて基準となるアンテナ素子であるので、第2アンテナ素子で受信する第2信号の位相∠EΩは到来波方向に対して不変すなわち一定である必要がある。つまり、第2信号の指向特性は、無指向性である必要がある。
Since the phase characteristic of the second antenna element is the reference antenna element in the circular array phased
しかしながら、図27から、第1アンテナ素子の負荷インピーダンスの値によって第2アンテナ素子で受信する第2信号の位相特性が大きく変化することがわかる。換言すると、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nが8個のとき、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子を50Ωで終端していても(電源をつないでいる状態でも)、第2アンテナ素子で受信する第2信号の位相特性は一定であった。一方、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nが4のとき、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子を50Ωの負荷インピーダンスで終端すると位相特性は一定ではない。 However, it can be seen from FIG. 27 that the phase characteristic of the second signal received by the second antenna element changes greatly depending on the value of the load impedance of the first antenna element. In other words, when the number N of antenna elements forming the first antenna element is eight, even if the antenna element forming the first antenna element is terminated with 50Ω (even if the power supply is connected), the second The phase characteristics of the second signal received by the antenna elements were constant. On the other hand, when the number N of antenna elements forming the first antenna element is 4, the phase characteristics are not constant if the antenna elements forming the first antenna element are terminated with a load impedance of 50Ω.
そこで、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子に接続する負荷インピーダンスを変化させ、位相特性が一定となる値を求めた。その結果、図27に示すように、-j38.52Ω(2GHzで2.07pF)とすることにより、無指向性を実現できるのがわかった。 Therefore, by changing the load impedance connected to the antenna element constituting the first antenna element, a value at which the phase characteristic becomes constant was obtained. As a result, as shown in FIG. 27, it was found that omnidirectionality can be realized by setting -j38.52Ω (2.07 pF at 2 GHz).
図28は、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの振幅特性を示す図である。図28において、実線は、第1アンテナ素子を構成する全アンテナ素子(#1~#4)の受信信号を足し合わせたときの指向性を示す。点線は、第1アンテナ素子に接続される負荷インピーダンスを50Ωに設定したときの第2アンテナ素子(#5)の受信信号の指向性を示す。一点鎖線は、第1アンテナ素子に接続される負荷インピーダンスを-j38.52Ωに設定したときの第2アンテナ素子(#5)の受信信号の指向性を示す。
FIG. 28 is a diagram showing amplitude characteristics of the circular phased
図28の実線より、アンテナ素子(#1~#4)の受信信号を足し合わせた複素指向性の振幅特性は、アジマス角度に応じて変化することがわかる。図28の実線では、小さなリップルが見られるが、0dBd相当の利得が得られることがわかる。 From the solid line in FIG. 28, it can be seen that the complex directivity amplitude characteristic obtained by adding the received signals of the antenna elements (#1 to #4) changes according to the azimuth angle. A solid line in FIG. 28 shows a small ripple, but it can be seen that a gain equivalent to 0 dBd is obtained.
次に、ライス伝搬環境における検証を行った。 Next, we performed verification in the Rice propagation environment.
図29A~図29Cは、本実施の形態における円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aが受信した受信信号の特性の一例を示す図である。解析に使用した周波数は2GHzであり、Kファクターは0dB、到来波方向は0度としている。また、円形配列フェーズドアレーアンテナ1Aの半径aを4.9cmとし、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nは4個とした。第1アンテナ素子に接続される負荷インピーダンスは-j38.52Ωに設定した。なお、Kファクターは直接波と反射波との電力比を示すので、Kファクター=0dBは、反射波と直接波と受信信号のレベルが同じ伝搬環境を示す。
29A to 29C are diagrams showing an example of characteristics of received signals received by circular phased
より具体的には、図29Aは、第2信号の電圧EΩと第3信号の電圧EΔ aと第4信号の電圧EΔ bとの瞬時受信電力を示す図である。この図29Aより、第3信号の電圧EΔ aと第4信号の電圧EΔ bとは瞬時受信信号が異なることがわかる。 More specifically, FIG . 29A is a diagram showing the instantaneous received power of the voltage E Ω of the second signal, the voltage E Δa of the third signal, and the voltage E Δb of the fourth signal. From FIG. 29A, it can be seen that the voltage E Δ a of the third signal and the voltage E Δ b of the fourth signal are different instantaneously received signals.
図29Bは、Kファクター=0dB、到来波方向=0度のときの第2信号、第3信号および第4信号のコンスタレーションを示す図である。図29Bより、Kファクター=0dB、到来波方向=0度のときには、第3信号と第4信号とでコンスタレーションの中心が異なるがこれらの位置は近いことがわかる。一方、第3信号および第4信号と、第2信号とでコンスタレーションの中心が異なるのがわかる。図29Cは、図29Bに示す第2信号、第3信号および第4信号の累積分布関数(CDF:Cumulative Distribution Function)特性を示す図である。図29Cにより、ライス伝搬環境下では、第2信号、第3信号および第4信号がコヒーレントな成分の周りに存在することがわかる。 FIG. 29B is a diagram showing constellations of the second, third, and fourth signals when K factor=0 dB and direction of arrival=0 degrees. From FIG. 29B, it can be seen that when the K factor=0 dB and the direction of arrival=0 degrees, the centers of the constellations of the third signal and the fourth signal are different, but their positions are close. On the other hand, it can be seen that the center of the constellation differs between the third and fourth signals and the second signal. FIG. 29C is a diagram showing cumulative distribution function (CDF) characteristics of the second, third and fourth signals shown in FIG. 29B. From FIG. 29C, it can be seen that the second signal, the third signal and the fourth signal exist around coherent components under the Rice propagation environment.
図30A~図30Fは、図29Bに示す第2信号、第3信号および第4信号それぞれの同相成分および直交成分を統計解析した結果を示す図である。図30Aは、図29Bに示す第3信号の同相成分(実数成分)の確率密度関数を示す図である。図30Bは、図29Bに示す第3信号の直交成分(虚数成分)の確率密度関数を示す図である。図30Cは、図29Bに示す第4信号の同相成分(実数成分)の確率密度関数を示す図である。図30D、図29Bに示す第4信号の直交成分(虚数成分)の確率密度関数を示す図である。図30Eは、図29Bに示す第2信号の同相成分(実数成分)の確率密度関数を示す図である。図30Fは、図29Bに示す第2信号の直交成分(虚数成分)の確率密度関数を示す図である。なお、図30A~図30Fにおける曲枠線は、ガウス分布を示している。 30A to 30F are diagrams showing the results of statistical analysis of the in-phase and quadrature components of the second, third and fourth signals shown in FIG. 29B. FIG. 30A is a diagram showing the probability density function of the in-phase component (real number component) of the third signal shown in FIG. 29B. 30B is a diagram showing the probability density function of the orthogonal component (imaginary number component) of the third signal shown in FIG. 29B. FIG. 30C is a diagram showing the probability density function of the in-phase component (real number component) of the fourth signal shown in FIG. 29B. FIG. 30D is a diagram showing the probability density function of the quadrature component (imaginary number component) of the fourth signal shown in FIGS. 30D and 29B; FIG. 30E is a diagram showing the probability density function of the in-phase component (real number component) of the second signal shown in FIG. 29B. FIG. 30F is a diagram showing the probability density function of the orthogonal component (imaginary number component) of the second signal shown in FIG. 29B. Note that curved lines in FIGS. 30A to 30F indicate Gaussian distributions.
図30Aおよび図30Bにより、第3信号の同相成分および直交成分がガウス分布に一致していることがわかる。そのため、上述した第2の推定方法により第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aが、150.4度であることがわかる。同様に、図30Cおよび図30Dにより、第4信号の同相成分および直交成分がガウス分布に一致していることがわかる。そのため、上述した第2の推定方法により第4信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔ bが、149.4度であることがわかる。また、図30Eおよび図30Fにより、第2信号の同相成分および直交成分がガウス分布に一致していることがわかる。そのため、上述した第2の推定方法により第2信号の電圧EΩの位相角∠EΩが、2.09度であることがわかる。 It can be seen from FIGS. 30A and 30B that the in-phase and quadrature components of the third signal match the Gaussian distribution. Therefore, it can be seen that the phase angle ∠E Δ a of the voltage E Δ a of the third signal is 150.4 degrees according to the second estimation method described above. Similarly, FIGS. 30C and 30D show that the in-phase and quadrature components of the fourth signal conform to Gaussian distributions. Therefore, the phase angle ∠E Δ b of the voltage E Δ b of the fourth signal is found to be 149.4 degrees according to the second estimation method described above. Also, from FIGS. 30E and 30F, it can be seen that the in-phase component and the quadrature component of the second signal match the Gaussian distribution. Therefore, the phase angle ∠E Ω of the voltage E Ω of the second signal is found to be 2.09 degrees according to the second estimation method described above.
このように、第2信号、第3信号および第4信号それぞれの同相成分と直交成分との平均値をもとに第2信号、第3信号および第4信号それぞれの位相角を計算することができる。 Thus, the phase angles of the second, third and fourth signals can be calculated based on the average values of the in-phase and quadrature components of the second, third and fourth signals. can.
次に、Kファクターが-10dBの伝搬環境において、幾何位相モデルを用いて到来波方向の推定誤差を解析した。 Next, in a propagation environment where the K factor is -10 dB, the geometric phase model was used to analyze the estimation error of the incoming wave direction.
図31Aは、N=4の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定結果を示す図である。図31Bは、N=4の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定誤差を示す図である。図31Aおよび図31BではKファクターは-10dB、到来波方向は0度としている。また、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数Nは4とし、半径a=4.9cm、周波数=2GHzとした。 FIG. 31A is a diagram showing estimation results of directions of arrival of waves estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=4. FIG. 31B is a diagram showing the estimation error of the direction of arrival estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=4. In FIGS. 31A and 31B, the K factor is −10 dB and the incoming wave direction is 0 degrees. Also, the number N of antenna elements constituting the first antenna element was 4, the radius a was 4.9 cm, and the frequency was 2 GHz.
図31Aでは、実線は、第2の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔである平均位相角∠EΔaveを示す。また、太点線は、第1の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔすなわち第3信号の位相角∠EΔ aを示す。図31Bにおいて、点線は、第1の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔを示し、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子を50Ωの負荷インピーダンスで終端している場合に対応する。また、実線は、第2の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔである平均位相角∠EΔaveを示し、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子を-j38.52Ωの負荷インピーダンスで接続している場合に対応する。 In FIG. 31A, the solid line indicates the average phase angle ∠E Δave , which is the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the second estimation method. The thick dotted line indicates the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the first estimation method, that is, the phase angle ∠E Δa of the third signal. In FIG. 31B, the dotted line indicates the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the first estimation method, corresponding to the case where the antenna element constituting the first antenna element is terminated with a load impedance of 50Ω. do. Further, the solid line indicates the average phase angle ∠E Δave , which is the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the second estimation method. Corresponds to the case of connecting with impedance.
図31Bから、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定することで、推定誤差が7度以下に改善し、高推定精度を実現できるのがわかる。 From FIG. 31B, it can be seen that by estimating the direction of arrival using the second estimation method, the estimation error is improved to 7 degrees or less, and high estimation accuracy can be achieved.
次に、Kファクターを変化させた場合における推定精度を検証した。 Next, the estimation accuracy was verified when the K factor was changed.
図32は、第2の推定方法による到来波方向の推定誤差を示す図である。図32により推定された到来波角度EΔaveと実際の到来波方向φdの差すなわち推定誤差EΔave―φdは、Kファクターが大きいほど小さいのがわかる。さらに、Kファクターが-10dBである直接波のレベルが低い場合でも推定誤差は7度以下であり、第2の推定方法を用いることで、高い精度で到来波方向が推定可能であることがわかる。 FIG. 32 is a diagram showing an estimation error of the direction of arrival of waves by the second estimation method. It can be seen that the difference between the estimated arrival wave angle E Δave and the actual arrival wave direction φ d from FIG. 32, that is, the estimation error E Δave− φ d , decreases as the K factor increases. Furthermore, even when the level of the direct wave with a K factor of -10 dB is low, the estimation error is 7 degrees or less, and it can be seen that the direction of arrival of the wave can be estimated with high accuracy by using the second estimation method. .
(変形例)
実施の形態1では、例えば4個または5個など第1アンテナ素子が8個より少ない数のアンテナ素子で構成される場合について説明したが、これに限らない。本変形例では、第1アンテナ素子が3個のアンテナ素子で構成される場合について説明する。
(Modification)
In
まず、実施の形態2と同じ方法により幾何位相モデルを用いて到来波方向の推定誤差を解析した。 First, the error in estimating the direction of the incoming wave was analyzed using the geometric phase model in the same manner as in the second embodiment.
図33Aは、N=3の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定結果を示す図である。図33Bは、N=3の場合における第1の推定方法および第2の推定方法により推定した到来波方向の推定誤差を示す図である。 FIG. 33A is a diagram showing estimation results of directions of arrival of waves estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=3. FIG. 33B is a diagram showing the estimation error of the direction of arrival estimated by the first estimation method and the second estimation method when N=3.
図33Aより、位相角∠EΔ aは理論値y=φに対して、位相角∠EΔ bは理論値y=-φ+2πに対して正弦波的に変化しているようにみえる。しかし、図33Bから、第3信号の電圧EΔ aの位相角∠EΔ aの推定誤差の形状と、第4信号の電圧EΔ bの位相角∠EΔ bの推定誤差の形状とは、正弦波的ではない。したがって、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bの平均値により算出される到来波推定角度となる平均位相角∠EΔaveは大きな誤差を有しているのがわかる。 From FIG. 33A, it seems that the phase angle ∠E Δ a varies sinusoidally with respect to the theoretical value y=φ, and the phase angle ∠E Δ b with respect to the theoretical value y=−φ+2π. However, from FIG. 33B, the shape of the estimation error of the phase angle ∠E Δ a of the voltage E Δ a of the third signal and the shape of the estimation error of the phase angle ∠ E Δ b of the voltage E Δ b of the fourth signal are , is not sinusoidal. Therefore, it can be seen that the average phase angle ∠E Δave , which is the estimated angle of the incoming wave calculated from the average value of the phase angles ∠E Δa and ∠E Δb , has a large error.
そこで、本変形例では、位相角∠EΔS bの導出を実施の形態2と異なる方法で行うことで、平均位相角∠EΔaveの誤差の低減を図った。 Therefore, in this modified example, the error of the average phase angle ∠E Δave is reduced by deriving the phase angle ∠E ΔS b by a method different from that in the second embodiment.
図34Aは、本変形例における第3信号の電圧EΔ
aの位相角∠EΔ
aと、第4信号の電圧EΔ
bの位相角∠EΔ
bを示す図である。図34Bは、図34Aから導出された位相角∠EΔS
bを示す図である。図35~図37は、位相角∠EΔS
bの導出方法の概念図である。図35には、比較として実施の形態2における第2の推定方法による導出方法が示されている。図36には本変形例における点と直線との距離を用いた導出方法が示されており、図37には本変形例における回転を用いた導出方法が示されている。
FIG. 34A is a diagram showing the phase angle ∠E Δ a of the voltage E Δ a of the third signal and the phase angle ∠ E Δ b of the voltage E Δ b of the fourth signal in this modification. FIG. 34B is a diagram showing the phase angle ∠E ΔS b derived from FIG. 34A. 35 to 37 are conceptual diagrams of how to derive the phase angle ∠E ΔS b . FIG. 35 shows a derivation method by the second estimation method in
図35に示す導出方法は、実施の形態2で説明したように、まず、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとを算出する。次に、位相角∠EΔ bとy=2π―φとの差δとして、縦軸(y軸)におけるy=2π―φと位相角∠EΔ bとの角度に応じた差を算出する。次に、算出した差δをy=φに対して加算することで、図35の点線で示された位相角∠EΔS bを導出することができる。これにより、第1信号の位相角として、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔS bとの平均値である平均位相角∠EΔaveを導出することができる。 The derivation method shown in FIG. 35 first calculates the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b as described in the second embodiment. Next, as the difference δ between the phase angle ∠E Δ b and y=2π−φ, the difference corresponding to the angle between y=2π−φ and the phase angle ∠E Δb on the vertical axis (y-axis ) is calculated. . Next, by adding the calculated difference δ to y=φ, the phase angle ∠E ΔS b indicated by the dotted line in FIG. 35 can be derived. As a result, the average phase angle ∠E Δave , which is the average value of the phase angles ∠E Δa and ∠E ΔS b , can be derived as the phase angle of the first signal.
続いて、図36に示す本変形例における点と直線との距離を用いた導出方法を説明する。まず、図34Aまたは図36に示す位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとを算出する。次に、位相角∠EΔ bとy=2π―φとの差δとして、y=2π―φに対する距離(点と直線との距離)を算出する。次に、算出した差δをy=φに対して垂直な距離の値とすることで、図36の点線で示された位相角∠EΔS bを導出することができる。これにより、第1信号の位相角として、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔS bとの平均値である平均位相角∠EΔaveを導出することができる。 Next, a derivation method using the distance between a point and a straight line in this modified example shown in FIG. 36 will be described. First, the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b shown in FIG. 34A or FIG. 36 are calculated. Next, as the difference δ between the phase angle ∠E Δ b and y=2π-φ, the distance to y=2π-φ (the distance between the point and the straight line) is calculated. Next, by using the calculated difference δ as the value of the distance perpendicular to y=φ, the phase angle ∠E ΔS b indicated by the dotted line in FIG. 36 can be derived. As a result, the average phase angle ∠E Δave , which is the average value of the phase angles ∠E Δa and ∠E ΔS b , can be derived as the phase angle of the first signal.
続いて、図37に示す本変形例における回転を用いた導出方法を説明する。図38A~図38Gは、本変形例における回転を用いた導出方法の具体的な説明図である。 Next, a derivation method using rotation in this modified example shown in FIG. 37 will be described. 38A to 38G are specific explanatory diagrams of the derivation method using rotation in this modified example.
まず、図38Aに示す位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとを算出する。次に、図38Bに示すように、図38Aに示す位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとを平行移動する。より具体的には、図38Aに示す位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとを共に、到来波角度φ=π、推定到来波角度y=πが0となるように平行移動する。 First, the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b shown in FIG. 38A are calculated. Next, as shown in FIG. 38B, the phase angles ∠E Δ a and ∠E Δ b shown in FIG. 38A are translated. More specifically, both the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b shown in FIG. 38A are translated so that the incoming wave angle φ=π and the estimated incoming wave angle y=π become 0. .
次に、図38Cに示すように、図38Bに示す位相角∠EΔ aを時計回りに45度(π/4)、位相角∠EΔ bを反時計回りに45度(π/4)に回転させ、平行移動されたy=φおよびy=2π-φで示される直線をφ軸と平行にする。次に、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数が奇数の場合は位相角∠EΔ bの値の符号を変える。本変形例では、第1アンテナ素子を構成するアンテナ素子の数が3であり奇数であるので、位相角∠EΔ bの値の符号を変えて位相角(-∠EΔ b)とする。これにより、図38Cに示される位相角∠EΔ bは、反転され、図38Dに示される位相角∠EΔ bとなる。 Next, as shown in FIG. 38C, the phase angle ∠E Δ a shown in FIG . , and the translated straight lines denoted by y=φ and y=2π−φ are parallel to the φ axis. Next, when the number of antenna elements constituting the first antenna element is an odd number, the sign of the value of the phase angle ∠E Δ b is changed. In this modification, since the number of antenna elements constituting the first antenna element is 3, which is an odd number, the sign of the value of the phase angle ∠E Δ b is changed to be the phase angle (−∠E Δ b ). Thus, the phase angle ∠E Δ b shown in FIG. 38C is inverted to become the phase angle ∠E Δ b shown in FIG. 38D.
次に、位相角∠EΔ aと位相角∠EΔ bとの平均値を算出して、平均位相角∠EΔaveを導出する。すなわち、図38Dに示される位相角∠EΔ aと位相角(-∠EΔ b)との平均値を算出することで、図38Eに示される平均位相角∠EΔaveを導出することができる。ここで、位相角(-∠EΔ b)は、位相角∠EΔS bに該当すると言えるからである。 Next, the average value of the phase angle ∠E Δ a and the phase angle ∠E Δ b is calculated to derive the average phase angle ∠E Δave . That is, by calculating the average value of the phase angle ∠E Δ a and the phase angle (−∠E Δ b ) shown in FIG. 38D, the average phase angle ∠E Δave shown in FIG. 38E can be derived. . This is because the phase angle (−∠E Δ b ) can be said to correspond to the phase angle ∠E ΔS b .
次に、図38Fに示されるように、導出した平均位相角∠EΔaveと位相角(-∠EΔ b)と位相角∠EΔ aととして図38Eに示される全ての線を反時計回りに45度(π/4)回転させる。 Next , as shown in FIG . 38F , rotate counterclockwise all the lines shown in FIG. 45 degrees (π/4).
最後に、図38Gに示されるように、図38Fに示される全ての線を平行移動する。より具体的には、図38Fに示される全ての線を、到来波角度φ=0、推定到来波角度y=0が到来波角度φ=π、推定到来波角度y=πとなるように平行移動する。ここで、平行移動後の位相角∠EΔ bは、位相角∠EΔS bにも該当する。 Finally, translate all the lines shown in FIG. 38F, as shown in FIG. 38G. More specifically, all the lines shown in FIG. 38F are arranged parallel so that the wave arrival angle φ=0 and the estimated wave arrival angle y=0 becomes the wave arrival angle φ=π and the estimated wave arrival angle y=π. Moving. Here, the phase angle ∠E Δ b after translation also corresponds to the phase angle ∠E ΔS b .
以上、本変形例によれば、第1アンテナ素子が3個のアンテナ素子で構成される場合には、上述した回転を用いた導出方法、または、点と直線との距離を用いた導出方法を用いて位相角∠EΔS bを算出すればよい。 As described above, according to this modification, when the first antenna element is composed of three antenna elements, the derivation method using the above-described rotation or the derivation method using the distance between a point and a straight line can be used. can be used to calculate the phase angle ∠E ΔS b .
これにより、第1アンテナ素子が3個のアンテナ素子で構成される場合でも、多重波伝搬環境においてフェージングの影響により受信信号の位相角が時々刻々変化しても、受信信号を統計解析することにより到来波方向を高精度で推定できる。 As a result, even when the first antenna element is composed of three antenna elements, even if the phase angle of the received signal changes from moment to moment due to the influence of fading in a multiwave propagation environment, the received signal can be statistically analyzed. The incoming wave direction can be estimated with high accuracy.
なお、上述した回転を用いた導出方法、または、点と直線との距離を用いた導出方法は、第1アンテナ素子が3個のアンテナ素子で構成される場合に限らず、第1アンテナ素子が4個以上のアンテナ素子で構成される場合にも適用できる。 Note that the derivation method using rotation or the derivation method using the distance between a point and a straight line described above is not limited to the case where the first antenna element is composed of three antenna elements, and the first antenna element is It can also be applied to a configuration with four or more antenna elements.
(実施の形態3)
実施の形態1では、1つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いて、直接波の到来波方向を高精度で推定できることについて説明した。本実施の形態では、5つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いることで、多素子MIMOアンテナとして16×16MIMOアンテナを実現できることについて説明する。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, it has been described that the direction of arrival of direct waves can be estimated with high accuracy using one circular phased
[組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1B]
図39Aは、実施の形態3における組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bの構成の一例を示す図である。図39Aに示すように、組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bは、5つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1で構成され、1つが中心位置と、4つがその周りに円状に略等間隔に配置されている。
[Combined circular array phased
FIG. 39A is a diagram showing an example of a configuration of a combined circular array phased
中心に配置された円形配列フェーズドアレーアンテナ1(以下、AOAアンテナと称する)は、到来波を推定するためだけに用いられる。円上に等間隔に配列された円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、16×16MIMOアンテナを実現し高速通信を行うために用いられる。
A centrally located circular array phased array antenna 1 (hereinafter referred to as an AOA antenna) is used only for estimating incoming waves. A circular array phased
円上に等間隔に配列された4つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1はそれぞれ、変化する到来波方向に応じて、到来波方向に直交するようにサブアレーに分割されて指向性が制御されることで複数のビーム(指向性ビーム)を独立に形成する。より具体的には、円形配列フェーズドアレーアンテナ1の第1アンテナ素子は、円形に配列されている。このため、到来波方向が変化すれば、第1アンテナ素子のうちの合成する2つのアンテナ素子の組み合わせを45度毎に変えることで、様々な到来波方向に対応可能なサブアレーに分割できる。そして、円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、到来波方向にビームを向けることで、アンテナ特性を常に高利得な状態に保つことが可能となり、超高速通信だけでなくMIMO伝送容量の向上も図れることになる。
The four circularly arranged phased
図39Bは、実施の形態3における組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bの到来波方向の推定結果を示す図である。図39Bでは、直接波のみの伝搬環境における到来波方向の推定精度が示されている。図39Bにおいて、解析に用いた周波数は2GHzとし、半径rを20cmとしている。また、円上に等間隔に配列された4つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1に接続された負荷インピーダンスをj100Ω、j262Ωまたはj400Ωに設定した。なお、以下、円上に等間隔に配列された円形配列フェーズドアレーアンテナ1を、4×4MIMOアンテナと称する。
FIG. 39B is a diagram showing a result of estimating the direction of arrival of the combined circular array phased
図39Bより、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスをj262Ωに設定する場合、AOAアンテナの位相特性は一定となり推定誤差も小さくなるのがわかる。 From FIG. 39B, it can be seen that when the load impedance connected to the 4×4 MIMO antenna is set to j262Ω, the phase characteristic of the AOA antenna becomes constant and the estimation error becomes small.
次に、組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bにも、実施の形態2で説明した第2の方法が適用できることについて説明する。
Next, it will be described that the second method described in the second embodiment can also be applied to the combined circular array phased
図40Aは、負荷インピーダンスが50Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bによる到来波方向の推定結果を示す図である。図40Bは、負荷インピーダンスが50Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bによる到来波方向の推定誤差を示す図である。図40Aおよび図40Bでは、実施の形態2で説明した第1の推定方法および第2の推定方法により到来波方向が推定されている。Kファクターは-10dB、到来波方向は0度としている。また、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスを50Ωとし、解析に用いた周波数を2GHzとした。
FIG. 40A is a diagram showing a result of estimating the direction of incoming waves by the combined circular array phased
平均位相角∠EΔaveは、第2の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔに対応する。第3信号の位相角∠EΔ aは、第1の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔに対応する。 The average phase angle ∠E Δave corresponds to the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the second estimation method. The phase angle ∠E Δ a of the third signal corresponds to the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the first estimation method.
図40Bから、第1の推定方法を用いて到来波方向を推定する場合、最小で-75度、最大で15度の範囲において誤差が生じているのがわかる。一方、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定する場合、最小で-50度、最大で5度の範囲において誤差が生じているのがわかる。これにより、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定することで、推定誤差が小さくなっているのがわかる。したがって、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスが50Ωである場合、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定することで、第1の推定方法を用いて到来波方向を推定するときと比較して推定誤差がより小さくなるのがわかる。 From FIG. 40B, it can be seen that when the direction of arrival is estimated using the first estimation method, an error occurs in the range of −75 degrees at the minimum and 15 degrees at the maximum. On the other hand, when estimating the direction of arrival using the second estimation method, it can be seen that an error occurs in the range of -50 degrees at the minimum and 5 degrees at the maximum. It can be seen from this that the estimation error is reduced by estimating the direction of arrival using the second estimation method. Therefore, when the load impedance connected to the 4×4 MIMO antenna is 50Ω, the direction of arrival of the wave is estimated using the second estimation method. It can be seen that the estimation error is smaller compared to .
図41Aは、負荷インピーダンスがj262Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bによる到来波方向の推定結果を示す図である。図41Bは、負荷インピーダンスがj262Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bによる到来波方向の推定誤差を示す図である。図41Aおよび図41Bでは、負荷インピーダンスがj262Ωである場合を除くと、図40Aおよび図40Bと同様の条件としている。また、図41Aおよび図41Bでは、比較のため負荷インピーダンスが50Ωである場合の第1信号の位相角∠EΔである平均位相角∠EΔave、および、第3信号の位相角∠EΔ
aも示されている。
FIG. 41A is a diagram showing a result of estimating the direction of incoming waves by the combined circular phased
図41Bから、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj262Ωが接続されている場合、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定すると、最小で-3.2度、最大で0.3度の範囲において誤差が生じているのがわかる。これにより、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj262Ωが接続されている場合、第2の推定方法を用いることで、平均誤差で-1.2度の推定精度により到来波方向を推定することができるのがわかる。 From FIG. 41B, when the optimum load impedance of j262Ω is connected to the 4×4 MIMO antenna, the direction of arrival is estimated using the second estimation method. It can be seen that an error occurs in the range of . As a result, when the optimum load impedance of j262Ω is connected to the 4×4 MIMO antenna, by using the second estimation method, it is possible to estimate the direction of arrival with an estimation accuracy of −1.2 degrees in average error. I know you can.
[効果等]
以上のように、本実施の形態によれば、5つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いた組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Bに、実施の形態2で説明した第2の推定方法を用いて到来波方向を推定させることで、推定精度をより向上させることができる。さらに、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj262Ωを設定することで、より推定精度を向上させることができる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the present embodiment, the second estimation method described in the second embodiment is applied to the combined circular array phased
(実施の形態4)
実施の形態3では、5つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いることで、16×16MIMOアンテナを構成できることについて説明した。本実施の形態では、9つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いることで、32×32MIMOアンテナを実現できることについて説明する。
(Embodiment 4)
[組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1C]
図42Aは、実施の形態4における組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cの構成の一例を示す図である。図42Aに示すように、組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cは、9つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1で構成され、1つが中心位置と、8つがその周りに円状に略等間隔に配置されている。
[Combined circular array phased
FIG. 42A is a diagram showing an example of a configuration of a combined circular array phased
中心に配置された円形配列フェーズドアレーアンテナ1(以下、AOAアンテナと称する)は、到来波を推定するためだけに用いられる。円上に等間隔に配列された円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、32×32MIMOアンテナを実現し高速通信を行うために用いられる。
A centrally located circular array phased array antenna 1 (hereinafter referred to as an AOA antenna) is used only for estimating incoming waves. A circular array phased
円上に等間隔に配列された8つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1はそれぞれ、実施の形態3で説明したように、変化する到来波方向に応じて、到来波方向に直交するようにサブアレーに分割されて指向性が制御される。これにより、円上に等間隔に配列された8つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、複数のビーム(指向性ビーム)を独立に形成することができる。
Each of the eight circularly arranged phased
図42Bは、実施の形態4における組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cの到来波方向の推定結果を示す図である。図42Bでも、直接波のみの伝搬環境における到来波方向の推定精度が示されている。図42Bにおいて、解析に用いた周波数は2GHzとし、半径rを30cmとしている。また、円上に等間隔に配列された8つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1に接続された負荷インピーダンスをj200Ω、j326Ωまたはj500Ωに設定した。なお、以下、円上に等間隔に配列された9個の円形配列フェーズドアレーアンテナ1それぞれを、4×4MIMOアンテナと称する。
42B is a diagram showing a result of estimating the direction of arrival of the combined circular array phased
図42Bより、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスをj326Ωに設定すると、AOAアンテナの位相特性は一定となり、推定誤差も小さくなるのがわかる。 From FIG. 42B, it can be seen that when the load impedance connected to the 4×4 MIMO antenna is set to j326Ω, the phase characteristics of the AOA antenna become constant and the estimation error becomes small.
次に、組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cにも、実施の形態2で説明した第2の方法が適用できることについて説明する。
Next, it will be described that the second method described in the second embodiment can also be applied to the combined circular array phased
図43Aは、負荷インピーダンスが50Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cによる到来波方向の推定結果を示す図である。図43Bは、負荷インピーダンスが50Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cによる到来波方向の推定誤差を示す図である。図43Aおよび図43Bでも、実施の形態2で説明した第1の推定方法および第2の推定方法により到来波方向が推定されている。同様に、Kファクターは-10dB、到来波方向は0度としている。また、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスを50Ωとし、解析に用いた周波数を2GHzとした。
FIG. 43A is a diagram showing a result of estimating the direction of incoming waves by the combined circular phased
平均位相角∠EΔaveは、第2の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔに対応する。第3信号の位相角∠EΔ aは、第1の推定方法で算出された第1信号の位相角∠EΔに対応する。 The average phase angle ∠E Δave corresponds to the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the second estimation method. The phase angle ∠E Δ a of the third signal corresponds to the phase angle ∠E Δ of the first signal calculated by the first estimation method.
図43Bから、第1の推定方法を用いて到来波方向を推定する場合、最小で-55度、最大で5度の範囲において誤差が生じているのがわかる。一方、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定する場合、最小で-10度、最大で5度の範囲において誤差が生じているのがわかる。これにより、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定することで、推定誤差が小さくなっているのがわかる。したがって、4×4MIMOアンテナに接続された負荷インピーダンスが50Ωである場合、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定することで、第1の推定方法を用いて到来波方向を推定するときと比較して推定誤差がより小さくなるのがわかる。 From FIG. 43B, it can be seen that when the direction of arrival is estimated using the first estimation method, an error occurs in the range of −55 degrees at the minimum and 5 degrees at the maximum. On the other hand, when estimating the direction of arrival using the second estimation method, it can be seen that an error occurs in the range of -10 degrees at the minimum and 5 degrees at the maximum. It can be seen from this that the estimation error is reduced by estimating the direction of arrival using the second estimation method. Therefore, when the load impedance connected to the 4×4 MIMO antenna is 50Ω, the direction of arrival of the wave is estimated using the second estimation method. It can be seen that the estimation error is smaller compared to .
図44Aは、負荷インピーダンスがj326Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cによる到来波方向の推定結果を示す図である。図44Bは、負荷インピーダンスがj326Ωである場合の組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cによる到来波方向の推定誤差を示す図である。図44Aおよび図44Bでは、負荷インピーダンスがj326Ωである場合を除くと、図43Aおよび図43Bと同様の条件としている。また、図44Aおよび図44Bでは、比較のため負荷インピーダンスが50Ωである場合の第1信号の位相角∠EΔである平均位相角∠EΔaveおよび第3信号の位相角∠EΔ
aも示されている。
FIG. 44A is a diagram showing a result of estimating the direction of incoming waves by the combined circular phased
図44Bから、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj326Ωが接続されている場合、第2の推定方法を用いて到来波方向を推定すると、最小で-3.1度、最大で0.3度の範囲において誤差が生じているのがわかる。これにより、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj326Ωが接続されている場合、第2の推定方法を用いることで、平均誤差で-1.2度の推定精度により到来波方向を推定することができるのがわかる。 From FIG. 44B, when the optimal load impedance j326Ω is connected to the 4×4 MIMO antenna, the direction of arrival can be estimated using the second estimation method at −3.1 degrees at minimum and 0.3 degrees at maximum. It can be seen that an error occurs in the range of . As a result, when the optimum load impedance of j326Ω is connected to the 4×4 MIMO antenna, by using the second estimation method, it is possible to estimate the direction of arrival with an estimation accuracy of −1.2 degrees in average error. I know you can.
[効果等]
以上のように、本実施の形態によれば、9つの円形配列フェーズドアレーアンテナ1を用いた組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ1Cに、実施の形態2で説明した第2の推定方法を用いて到来波方向を推定させることで、推定精度をより向上させることができる。さらに、4×4MIMOアンテナに最適な負荷インピーダンスj326Ωを設定することで、より推定精度を向上させることができる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the present embodiment, the second estimation method described in the second embodiment is applied to the combined circular phased
(実施の形態5)
上記の実施の形態では、第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とは、例えば、半波長ダイポールアンテナなど所定長さのダイポールアンテナまたは、電気的に等価な動作をする等価ダイポール素子からなるとして説明したが、限らない。第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とは、例えばモノポールアンテナからなるとしてもよい。
(Embodiment 5)
In the above embodiments, each of the first antenna element and the second antenna element is described as being composed of a dipole antenna having a predetermined length, such as a half-wave dipole antenna, or an equivalent dipole element that performs an electrically equivalent operation. but not limited. Each of the first antenna elements and the second antenna element may comprise, for example, a monopole antenna.
図45Aは、半波長ダイポールアンテナを用いた円形配列フェーズドアレーアンテナ1の構成図である。図45Bは、モノポールアンテナを用いた円形配列フェーズドアレーアンテナ1の構成図である。図45Bに示されるモノポールアンテナは、地板に1/4波長の素子が接続されている。
FIG. 45A is a configuration diagram of a circular array phased
円形配列フェーズドアレーアンテナ1は、図45Aに示すように半波長ダイポールアンテナで構成するよりも、図45Bに示すように、モノポールアンテナの方が容易に作成できるので、実用化がより容易となる。
Circular array phased
以下、第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とにモノポールアンテナを用いることができることを検証したので、以下説明する。 Since it was verified that a monopole antenna can be used for each of the first antenna elements and the second antenna element, the following description will be given.
図46は、モノポールアンテナ単体の解析モデルを示す図である。モノポールアンテナ単体の解析モデルは、図46に示すように、一辺が7.5cmの正方形の地板と、当該地板の中心に接続された3.75cmの素子とで構成されるとしている。 FIG. 46 is a diagram showing an analysis model of a single monopole antenna. As shown in FIG. 46, the analytical model of a single monopole antenna consists of a square ground plane with a side of 7.5 cm and an element of 3.75 cm connected to the center of the ground plane.
図47Aおよび図47Bは、図46に示す解析モデルを用いた解析結果を示す図である。図47Aには、モノポールアンテナ単体の振幅特性が示されており、図47Bには、モノポールアンテナ単体の位相特性が示されている。いずれも、図46に示す解析モデルとモーメント法を用いて電磁界解析を行った結果であり、解析に使用した周波数は2GHzである。図47Aおよび図47Bより、モノポールアンテナ単体の振幅特性および位相特性は、半波長ダイポールと類似していることがわかる。 47A and 47B are diagrams showing analysis results using the analysis model shown in FIG. 46. FIG. FIG. 47A shows amplitude characteristics of a single monopole antenna, and FIG. 47B shows phase characteristics of a single monopole antenna. All of them are results of electromagnetic field analysis using the analysis model shown in FIG. 46 and the moment method, and the frequency used for the analysis is 2 GHz. From FIGS. 47A and 47B, it can be seen that the amplitude characteristics and phase characteristics of a single monopole antenna are similar to those of a half-wave dipole.
図48は、複数のモノポールアンテナが配置された解析モデルを示す図である。この解析モデルは、図48に示すように、一辺が7.5cmの正方形の地板と、当該地板の中心に接続された3.75cmの素子とで構成されるモノポールアンテナが5つ配置されたモデルである。より具体的には、この解析モデルは、中心にある1つのモノポールアンテナの周囲に4つのモノポールアンテナが円上に等間隔に配列されたモデルであり、中心のモノポールアンテナの解析が行われる。中心にある1つのモノポールアンテナと円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナそれぞれの距離は、図48に示すように1cmとした。さらに、円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナには、負荷インピーダンスZ1=R1+jX1=(R1、X1)が接続されているとしている。 FIG. 48 is a diagram showing an analysis model in which multiple monopole antennas are arranged. In this analysis model, as shown in FIG. 48, five monopole antennas each having a square ground plane with a side of 7.5 cm and an element of 3.75 cm connected to the center of the ground plane were arranged. is a model. More specifically, this analysis model is a model in which four monopole antennas are arranged in a circle around one central monopole antenna, and the central monopole antenna is analyzed. will be The distance between the central monopole antenna and the four monopole antennas arranged at equal intervals on a circle was set to 1 cm, as shown in FIG. Furthermore, load impedance Z 1 =R 1 +jX 1 =(R 1 , X 1 ) is connected to the four monopole antennas arranged at regular intervals on a circle.
図49Aおよび図49Bは、図48に示す解析モデルを用いた解析結果を示す図である。図49Aには、図48に示す解析モデルのうち中心にある1つのモノポールアンテナの振幅特性が示されており、図49Bには、図48に示す解析モデルのうち中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性が示されている。いずれも、図48に示す解析モデルとモーメント法を用いて電磁界解析を行った結果であり、解析に使用した周波数は2GHzである。また、円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナに接続される負荷インピーダンスZ1を(0、300Ω)または(50Ω、0)とした。 49A and 49B are diagrams showing analysis results using the analysis model shown in FIG. 48. FIG. FIG. 49A shows amplitude characteristics of one central monopole antenna in the analysis model shown in FIG. 48, and FIG. 49B shows amplitude characteristics of one central monopole antenna in the analysis model shown in FIG. Antenna phase characteristics are shown. All of them are results of electromagnetic field analysis using the analysis model shown in FIG. 48 and the method of moments, and the frequency used for the analysis is 2 GHz. Also, the load impedance Z1 connected to the four monopole antennas arranged on a circle at regular intervals was set to ( 0 , 300Ω) or (50Ω, 0).
図49Aおよび図49Bより、円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナに接続される負荷インピーダンスZ1を(0、300Ω)にすることにより、中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性を無指向性に制御可能であることがわかる。このように、円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナに接続される負荷インピーダンスZ1を制御することにより、中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性を制御可能であることがわかる。これは、実施の形態2等で説明したように、円形配列フェーズドアレーアンテナ1が半波長ダイポールアンテナからなる場合と同様の結果である。
From FIGS. 49A and 49B, by setting the load impedance Z1 connected to the four monopole antennas arranged at equal intervals on a circle to ( 0 , 300Ω), the phase of the central monopole antenna It can be seen that the characteristics can be omnidirectionally controlled. Thus, by controlling the load impedance Z1 connected to the four monopole antennas arranged at equal intervals on a circle, it is possible to control the phase characteristics of the single central monopole antenna. Recognize. This is the same result as in the case where the circular array phased
ここで、中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性を制御する方法について説明する。 Here, a method for controlling the phase characteristics of one central monopole antenna will be described.
図50Aは、3段チェビシェフBPF(Band Pass Filter)の構成を示す図である。図50Bは、図50Aに示す3段チェビシェフBPFが示す振幅特性を示す図である。図50Cは、図50Aに示す3段チェビシェフBPFが示す群遅延特性を示す図である。 FIG. 50A is a diagram showing the configuration of a three-stage Chebyshev BPF (Band Pass Filter). FIG. 50B is a diagram showing amplitude characteristics exhibited by the three-stage Chebyshev BPF shown in FIG. 50A. FIG. 50C is a diagram showing group delay characteristics exhibited by the 3-stage Chebyshev BPF shown in FIG. 50A.
ここで、フィルタ理論より、結合リアクタンスCによって郡遅延特性(位相線形性)の制御が可能であることが知られている。そして、図50Aに示すように共振器間にコンデンサを接続することにより、図50Bおよび図50Cから位相特性が制御可能であるのがわかる。 Here, it is known from filter theory that the group delay characteristic (phase linearity) can be controlled by the coupling reactance C. By connecting a capacitor between the resonators as shown in FIG. 50A, it can be seen from FIGS. 50B and 50C that the phase characteristics can be controlled.
次に、図50Aの共振器をアンテナとみなし、アンテナ間にリアクティブ素子を接続することにより位相特性を制御できないか検討した。 Next, considering the resonator in FIG. 50A as an antenna, it was investigated whether the phase characteristics could be controlled by connecting a reactive element between the antennas.
図51は、地板間リアクティブ素子の構成を示す図である。図51に示される構成は、隣接素子と電磁結合するモノポールアンテナに該当する。また、図51に示される構成は、3つの共振器が近接して電磁結合しており、3段チェビシェフBPFと類似の構造となっているのがわかる。これにより、地板間リアクティブ素子Xを用いると位相角度特性を制御できるのがわかった。 FIG. 51 is a diagram showing the configuration of an inter-ground reactive element. The configuration shown in FIG. 51 corresponds to a monopole antenna that electromagnetically couples with adjacent elements. Also, it can be seen that the configuration shown in FIG. 51 has three resonators closely coupled electromagnetically, and has a structure similar to a three-stage Chebyshev BPF. From this, it was found that the phase angle characteristic can be controlled by using the ground plane reactive element X.
図52は、地板間に負荷を装荷する複数のモノポールアンテナが配置された解析モデルを示す図である。この解析モデルは、図48に示す解析モデルと比較して、地板間に負荷が装荷している点が異なる。この解析モデルでは、中心にある1つのモノポールアンテナと円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナには負荷インピーダンスZ1=50Ωが接続されており、地板間には負荷インピーダンスZ2=R2+jX2=(R2、X2)が装荷されている。そして、この解析モデルを用いて中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性を制御可能か検討した。 FIG. 52 is a diagram showing an analysis model in which a plurality of monopole antennas loaded with a load are arranged between ground planes. This analysis model differs from the analysis model shown in FIG. 48 in that a load is applied between the ground plates. In this analysis model, a load impedance of Z 1 =50Ω is connected to one monopole antenna in the center and four monopole antennas arranged at equal intervals on a circle, and a load impedance of Z 2 is connected between the ground planes. =R 2 +jX 2 =(R 2 , X 2 ) is loaded. Then, using this analytical model, we examined whether the phase characteristics of the central monopole antenna can be controlled.
図53Aおよび図53Bは、図52に示す解析モデルを用いた解析結果を示す図である。図53Aには、図52に示す解析モデルのうち中心にある1つのモノポールアンテナの振幅特性が示されており、図53Bには、図53に示す解析モデルのうち中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性が示されている。いずれも、図53に示す解析モデルとモーメント法を用いて電磁界解析を行った結果であり、解析に使用した周波数は2GHzである。また、中心にある1つのモノポールアンテナと円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナに接続される負荷インピーダンスZ1を(50Ω、0)とし、地板間に装荷されている負荷インピーダンスZ2を(0、0)、(0、-51.2Ω)または(0、-100Ω)とした。 53A and 53B are diagrams showing analysis results using the analysis model shown in FIG. 52. FIG. FIG. 53A shows amplitude characteristics of one central monopole antenna in the analysis model shown in FIG. 52, and FIG. 53B shows amplitude characteristics of one central monopole antenna in the analysis model shown in FIG. Antenna phase characteristics are shown. All of them are results of electromagnetic field analysis using the analysis model shown in FIG. 53 and the method of moments, and the frequency used for the analysis is 2 GHz. In addition, the load impedance Z1 connected to the central monopole antenna and the four monopole antennas arranged at equal intervals on a circle is (50Ω, 0 ), and the load impedance loaded between the ground planes is Z2 was ( 0 , 0), (0, -51.2 Ω) or (0, -100 Ω).
図53Aおよび図53Bより、中心にある1つのモノポールアンテナに装荷されている負荷インピーダンスZ2を-51.2Ωにすることにより、中心にある1つのモノポールアンテナの位相特性を無指向性に制御可能であることがわかる。この結果より、地板間に装荷する負荷インピーダンスZ2を制御することにより、円の中心のモノポールアンテナの位相特性を制御可能であるのがわかる。より具体的には、円上に等間隔に配列された4つのモノポールアンテナに接続される負荷インピーダンスZ1を50Ω(電源のインピーダンス)とし、地板間に装荷する負荷インピーダンスZ2を制御する。これにより、到来波方向を推定する際の基準となる円の中心のモノポールアンテナの受信信号の位相特性を無指向性に制御可能であるのがわかる。 From FIGS. 53A and 53B, by setting the load impedance Z2 loaded on the central monopole antenna to −51.2Ω , the phase characteristic of the central monopole antenna becomes omnidirectional. It turns out that it is controllable. From this result, it can be seen that the phase characteristic of the monopole antenna at the center of the circle can be controlled by controlling the load impedance Z2 loaded between the ground planes. More specifically, the load impedance Z1 connected to four monopole antennas arranged at regular intervals on a circle is set to 50Ω ( power source impedance), and the load impedance Z2 loaded between the ground planes is controlled. As a result, it can be seen that the phase characteristic of the received signal of the monopole antenna at the center of the circle, which serves as a reference when estimating the direction of arrival, can be omnidirectionally controlled.
以上から、第1アンテナ素子それぞれと第2アンテナ素子とにモノポールアンテナを導入することができるのがわかった。さらに、第1アンテナ素子それぞれに接続される負荷インピーダンスを電源のインピーダンスである50Ωのままで、到来波方向を推定可能となるのがわかった。 From the above, it can be seen that a monopole antenna can be introduced to each of the first antenna element and the second antenna element. Furthermore, it was found that the incoming wave direction can be estimated while the load impedance connected to each of the first antenna elements is kept at 50Ω, which is the impedance of the power supply.
(その他の実施の形態)
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されない。上述した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
(Other embodiments)
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments. Various modifications and variations can be made to the above-described embodiment within the same scope as the present invention or within an equivalent scope.
また、上記実施形態において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、あるいは、ソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。 Further, in the above embodiments, each component may be configured by dedicated hardware, or components that can be realized by software may be realized by executing a program.
また、例えば、方向推定装置10を構成するモジュールを、IC(集積回路)、ASIC(特定用途向け集積回路)、およびLSI(大規模集積)などの形態で実現されるか、ARMなどのCPUに基づくプロセッサおよびPC(パーソナルコンピュータ)などの機械により実現するとしてもよい。これらの各モジュールは、多くの単機能LSIまたは1つのLSIに含まれ得る。ここで用いられた名称はLSIであるが、集積度に応じて、IC、システムLSI、スーパーLSIまたはウルトラLSIと呼称されることもある。さらに、集積方法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサなどによっても集積することができる。これには、プログラム命令により指示可能なDSP(デジタル信号プロセッサ)などの特殊なマイクロプロセッサも含まれる。LSIの製造後にプログラム可能なFPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)もしくはLSIの接続または配置を再構成できる再構成可能プロセッサを同様の目的で用いることができる。今後は、製造と処理技術の発展に伴い、全く新しい技術がLSIに置き換わるかもしれない。集積はそのような技術によって実現され得る。
Further, for example, the modules constituting the
本発明は、多重波伝搬環境に受信電波の到来方向を推定する方向推定装置に利用でき、特にコネクテッドカー、MIMO(Multiple Input Multiple Output)アンテナなど、あらゆるものがインターネットにつながるIoTのためのアンテナ装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a direction estimating device for estimating the direction of arrival of received radio waves in a multiwave propagation environment, especially for connected cars, MIMO (Multiple Input Multiple Output) antennas, etc. An antenna device for IoT where everything is connected to the Internet. can be used for
1、1A 円形配列フェーズドアレーアンテナ
1B、1C 組み合わせ円形配列フェーズドアレーアンテナ
2、2A 加算部
3、3A 演算部
10、10A 方向推定装置
Claims (8)
前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた重みをかけて合計した第1信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出することにより、前記円形配列フェーズドアレーアンテナに到来する到来波の方向である到来波方向を推定する演算部とを備え、
前記位相差は、前記到来波方向に比例し、
前記第1信号と前記第2信号とを統計解析することは、
所定時間の前記第1信号における同相成分および直交成分の平均値である第1同相平均値および第1直交平均値を算出し、かつ、前記所定時間の前記第2信号における同相成分および直交成分の平均値である第2同相平均値および第2直交平均値を算出することであり、
前記第1信号は、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号とからなり、
前記第1信号の位相は、前記第3信号の位相および前記第4信号の位相の平均である、
方向推定装置。 A circular array phased array antenna comprising N (N is a natural number equal to or greater than 3) first antenna elements arranged on a circle at equal intervals, and one second antenna element arranged substantially at the center of the circle. When,
Statistically analyzing a first signal obtained by applying a weight corresponding to the arrangement of the first antenna elements and summing the received signals of the first antenna elements and a second signal that is the received signal of the second antenna element, a calculation unit for estimating a direction of arrival of a wave arriving at the circular phased array antenna by calculating a phase difference between the first signal and the second signal;
The phase difference is the direction of the incoming wavecompared toexampledeath,
Statistically analyzing the first signal and the second signal includes:
calculating a first in-phase average value and a first quadrature average value, which are average values of the in-phase component and the quadrature component in the first signal for a predetermined time; and calculating the in-phase component and the quadrature component in the second signal for the predetermined time calculating a second in-phase average value and a second quadrature average value, which are average values;
The first signal is a third signal obtained by multiplying the signals received by each of the first antenna elements by a phase weighting function corresponding to the arrangement of the first antenna elements, and summing the signals received by each of the first antenna elements. Consists of a fourth signal obtained by multiplying and summing the weighting function of the phase and the opposite phase according to the arrangement of the first antenna element,
the phase of the first signal is the average of the phase of the third signal and the phase of the fourth signal;
Direction estimator.
前記第1信号の位相角を前記第1同相平均値および第1直交平均値から算出し、前記第2信号の位相角を前記第2同相平均値および第2直交平均値から算出し、前記第1信号の位相角と前記第2信号の位相角との差を算出することで、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出する、
請求項1に記載の方向推定装置。 The calculation unit is
calculating the phase angle of the first signal from the first in-phase average value and the first quadrature average value; calculating the phase angle of the second signal from the second in-phase average value and the second quadrature average value ; calculating the phase difference between the first signal and the second signal by calculating the difference between the phase angle of the first signal and the phase angle of the second signal;
The direction estimation device according to claim 1.
請求項1または2に記載の方向推定装置。 The load impedance connected to the first antenna element is set to a predetermined value that makes the phase characteristics of each of the first antenna elements constant.
The direction estimation device according to claim 1 or 2 .
前記第3信号の位相角と、前記第4信号の位相角を到来波角度に比例する正の勾配の直線を基準とした位相角に変換した変換位相角とから算出され、
前記Nが偶数のときは、前記変換位相角は、前記第4信号の位相角と負の勾配の直線との差を前記正の勾配の直線に加算することにより算出され、
前記Nが奇数のときは、前記変換位相角は、前記第4信号の位相角と負の勾配の直線との差を前記正の勾配の直線から減算することにより算出される、
請求項1~3のいずれか1項に記載の方向推定装置。 The average of the phase of the third signal and the phase of the fourth signal is
Calculated from the phase angle of the third signal and the converted phase angle obtained by converting the phase angle of the fourth signal into a phase angle based on a positive gradient straight line proportional to the incoming wave angle,
when N is even, the transformed phase angle is calculated by adding the difference between the phase angle of the fourth signal and the negative slope line to the positive slope line;
when N is odd, the transformed phase angle is calculated by subtracting the difference between the phase angle of the fourth signal and a negative slope line from the positive slope line;
A direction estimation device according to any one of claims 1 to 3 .
前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を加算して前記第1信号を算出する加算部を備え、
前記演算部は、前記加算部から、前記第1信号を前記所定時間取得し、前記第2信号を前記所定時間取得する、
請求項2に記載の方向推定装置。 The direction estimation device is
An addition unit that calculates the first signal by adding the received signals of the first antenna elements,
The calculation unit obtains the first signal for the predetermined time period and the second signal for the predetermined time period from the addition unit.
The direction estimation device according to claim 2 .
請求項1~5のいずれか1項に記載の方向推定装置。 Each of the first antenna elements and the second antenna element consist of antenna elements arranged on a plane containing the circular area,
A direction estimation device according to any one of claims 1 to 5 .
請求項1~6のいずれか1項に記載の方向推定装置。 Each of the first antenna elements and the second antenna element is an equivalent dipole element that functions electrically equivalent to a dipole antenna,
A direction estimation device according to any one of claims 1 to 6 .
前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた重みをかけて合計した第1信号と、前記第2アンテナ素子の受信信号である第2信号とを統計解析し、前記第1信号および前記第2信号の位相差を算出することにより、前記到来波方向を推定する演算ステップを含み、
前記位相差は、前記到来波方向に比例し、
前記第1信号と前記第2信号とを統計解析することは、
所定時間の前記第1信号における同相成分および直交成分の平均値である第1同相平均値および第1直交平均値を算出し、かつ、前記所定時間の前記第2信号における同相成分および直交成分の平均値である第2同相平均値および第2直交平均値を算出することであり、
前記第1信号は、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相の重み付け関数をかけて合計した第3信号と、前記第1アンテナ素子それぞれの受信信号を前記第1アンテナ素子の配置に応じた位相と逆位相の重み付け関数をかけて合計した第4信号とからなり、
前記第1信号の位相は、前記第3信号の位相および前記第4信号の位相の平均である、
方向推定方法。 A circular array phased array antenna comprising N (N is a natural number equal to or greater than 3) first antenna elements arranged on a circle at equal intervals, and one second antenna element arranged substantially at the center of the circle. A direction estimation method for estimating the direction of an incoming wave, which is the direction of an incoming wave arriving at
Statistically analyzing a first signal obtained by applying a weight corresponding to the arrangement of the first antenna elements and summing the received signals of the first antenna elements and a second signal that is the received signal of the second antenna element, A computing step of estimating the direction of arrival of the wave by calculating a phase difference between the first signal and the second signal;
The phase difference is the direction of the incoming waveToproportionately,
Statistically analyzing the first signal and the second signal includes:
calculating a first in-phase average value and a first quadrature average value, which are average values of the in-phase component and the quadrature component in the first signal for a predetermined time; and calculating the in-phase component and the quadrature component in the second signal for the predetermined time calculating a second in-phase average value and a second quadrature average value, which are average values;
The first signal is a third signal obtained by multiplying the signals received by each of the first antenna elements by a phase weighting function corresponding to the arrangement of the first antenna elements, and summing the signals received by each of the first antenna elements. Consists of a fourth signal obtained by multiplying and summing the weighting function of the phase and the opposite phase according to the arrangement of the first antenna element,
the phase of the first signal is the average of the phase of the third signal and the phase of the fourth signal;
Direction estimation method.
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